第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

流体粘度是指在运动中流体抵抗其不可逆位置变化的能力，是流体的固有性质[1]，粘度值是现代工业生产过程不同工艺阶段质量控制及最终产品性质的重要评价标准，因此，各种流体粘度检测仪器被大量应用于工业生产的过程中[2,3]，而开发这些粘度检测仪器所依据的粘度检测理论与方法也得以不断丰富和发展。但是，随着科学技术的进步与现代工业的发展，传统流体粘度检测方法与仪器不断遭遇到新的挑战[4-7]，比如快速连续多次、快速不同剪切率、快速低剪切率要求下的粘度检测需求，现有粘度检测仪器就难以同时满足。因此，丰富和发展流体粘度检测理论与技术、开发能够实现上述检测需求的粘度检测方法与仪器，对满足现代工业对流体粘度检测的要求具有重要意义。本文提出一种新型的转速衰减式粘度仪，通过检测旋转圆筒的衰减转速及衰减时间来计算流体粘度，能够进行快速连续多次、快速不同剪切率、快速低剪切率的粘度检测。

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1.2 粘度检测仪器的发展历程及其分类

进入19世纪晚期，科学家们相继提出了旋转法、振动法、落体法等一系列方法[10]，并在此基础上衍生了大量结构不同的粘度检测仪器。20世纪中叶以来，随着工业的发展，流体粘度检测出现了多种检测需求，在需求的推动下，在改造传统的粘度检测方法基础上，一批粘度检测的仪器被发展起来[11]，涌现了Brookfield、Hakke、马尔文等一批专业的粘度仪制造公司。当前，粘度检测仪器主要分为传统的毛细管法粘度仪、旋转法粘度仪、振动法粘度仪、落体法粘度仪以及一些新近发展起来的粘度仪，其检测特点及性能具体见表1-1，由表可见，在连续剪切率下快速检测、多次快速检测、超低剪切率下检测粘度的需求中，现有的粘度检测仪器难以同时满足。毛细管法[12,13]是应用较多的一类粘度测量方法。根据Poiseuille定律，粘性流体在一定压力梯度下通过给定毛细管所需时间与层流液体的粘度存在一个对应关系，通过测量流经毛细管液体体积与对应的流经时间即可算得液体粘度。毛细管法可以进行绝对测量和相对测量[14]，绝对测量需要对毛细管的加工提出极高的质量要求，而且还要对它的尺寸、流量、压力、温度等进行严格准确的测量，此外还要通过大量实验获得修正系数的值，通过计算得到流体粘度值，该方法复杂繁琐且通常难以得到精确的测量结果[15]。相对测量是要测量一定体积的流体在自身重力作用下流经一定直径的毛细管所需的时间，比较该时间与粘度标准液流经该毛细管的时间，通过计算得到该流体的相对粘度值[16]。

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第 2 章 转速衰减式粘度仪原理研究

2.1 引言

转速衰减式粘度仪可以方便快捷的检测各种剪切率下的流体粘度值，具有自身的特点。本章对转速衰减式粘度仪的检测原理进行分析，建立转速衰减式粘度仪数学模型以精确计算流体粘度，并在此基础上提出转速衰减式粘度仪的基本结构方案，为样机的研制提供支撑。对于检测内筒转速衰减，图 2-3 显示了流体粘度对测头转子转速衰减的影响规律仿真，使用 4#内筒测头，在 4#容器中分别盛装六种不同粘度流体，图中所示数字为粘性流体粘度，其单位为 mPa•s，图中所示为内外筒同时旋转，外筒转速恒定在 0.5236 rad/s (5R/min)，内筒在转速稳定在 0.7330 rad/s (7R/min)一段时间后停止驱动后，内筒测头转速在流体的粘滞力矩和非粘滞力矩的作用下不断衰减。由图2-3可以看出，内筒转速衰减随流体粘度的增大而呈现加速衰减的趋势，这意味着在使用同一测试组测量时，相对较大粘度的流体所能提供的粘滞力矩要大一些，其衰减时间也要少一些，而反过来相对较小粘度的流体所能提供的粘滞力矩要大一些，其衰减时间也要长一些。图2-4显示了4#内筒测头在盛装   = 1000mPa • s的粘性流体的4#容器中转速衰减情况，图中所示为内外筒同时旋转，而外筒稳定转速分别为1，3，5，7，9，11rpm时（如图中数字所示，转向与内筒相同），内筒在转速稳定在 7rpm(0.7330 rad/s)一段时间后停止驱动后，在流体的粘滞力矩和非粘滞力矩的作用下不断衰减。

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2.2 转速衰减式粘度仪原理

在不受外力作用的情况下，不考虑粘性流体与圆筒筒壁之间的滑移，由于粘性流体粘性的存在，双圆筒都会受到粘性流体粘滞力矩的作用，作用结果使得双圆筒转速均会不断衰减，这种衰减与粘性流体所提供的粘滞力矩（主要与流体动力粘度相关）、圆筒自身的转速、尺寸与质量相关。在圆筒转速不断衰减的过程中，圆筒的初始转速、实时转速与转速衰减时间可以通过相关仪器检测得到，圆筒尺寸与质量是它的物理属性，不会随时间的变化而改变。因此，如果能建立流体粘滞力矩与圆筒转速、转速衰减时间的关系式，就可以通过检测同轴双圆筒间的衰减转速与转速衰减时间来计算流体粘度。但是，实际上在驱动力矩去掉之后，施加在旋转圆筒的力矩不只是待测流体的粘滞力矩，还包括其它非粘滞阻力矩（包括轴承摩擦阻力矩，空气的粘滞力矩等），这些非粘滞阻力矩也作用在旋转圆筒上，圆筒实际上是在待测流体粘滞力矩与非粘滞阻力矩共同作用下产生运动的，因此，必须考虑非粘滞阻力矩对于圆筒运动的影响。

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第 3 章 转速衰减式粘度仪误差分析与建模 ..........33

3.1 引言 ..........33

3.2 转速衰减式粘度仪主要误差源及其作用机制 .....33

3.3 转速衰减式粘度仪检测误差建模的研究 ......38

3.4 主要误差源对检测精度影响规律的仿真研究 .....40

3.5 检测误差控制方法 .......43

3.6 本章小结 .........44

第 4 章 转速衰减式粘度仪实现技术研究 .......45

4.1 引言 ..........45

4.2 转速衰减式粘度仪实现技术的分析 .......45

4.3 转速衰减式粘度仪驱动与转速控制技术研究 .....46

4.4 转速衰减式粘度仪支撑结构的设计与研制 .........53

4.5 转速衰减式粘度仪检测技术研究 ....56

4.6 本章小结 .........60

第 5 章 转速衰减式粘度仪样机研制 ........61

5.1 引言 ..........61

5.2 转速衰减式粘度仪的结构设计 ........61

5.3 转速衰减式粘度仪实验样机 .....61

5.4 转速衰减式粘度仪粘度算法 .....64

5.5 转速衰减式粘度仪的标定 .........64

5.6 转速衰减式粘度仪的粘度检测初步实验 ......67

5.7 本章小结 .........76

第 6 章 转速衰减式粘度仪误差修正与综合实验

6.1 引言

使用转速衰减式粘度仪进行粘度初步测量表明：未经误差修正的检测结果具有较大的误差，因此需要对检测误差进行修正。对粘度检测结果的影响较大的因素是流体运动失稳、检测温度与压力变化、测试组末端效应与测试组不同轴，其中满足流体稳定运动条件，即公式（3-27），就可避免流体运动失稳，而检测温度与压力变化在 3-5 秒的检测时间内变化量微小，且在实验中还要营造恒温恒压环境，所以对粘度检测结果影响微弱，可以不计。因此，需要对测试组末端效应与测试组不同轴带来的检测误差进行修正。本章对转速衰减式粘度仪中的测试组末端效应与装配误差进行实验分析，揭示它们对粘度检测结果的影响规律，并根据该规律建立转速衰减式粘度检测原理的修正模型，在实验中根据修正模型进行粘度计算。如 3.2.4 节所述，测试组末端效应不可避免，其作用结果相当于延长了测头转子的设计长度，进而对粘度检测结果产生影响，因此，考察测试组末端效应对测试结果的影响情况可以简化为考察测头转子等效长度的变化情况，或考察测头转子设计长度附加增量的变化情况，即考察对测试组末端效应有影响的主要因素对测试组末端效应的影响。在传统旋转法粘度检测中，影响测试组末端效应的主要因素有：1）测头转子的沉浸深度；2）测头转子与粘性流体容器底距；3）测头转子的外径；4）测头转子与粘性流体容器间隙；5）粘性流体粘度；6）粘性流体容器内流体运动紊流。本文主要研究流体在稳定流动状态下的粘度检测，因此不考虑紊流状态所产生的测试组末端效应，主要考察上述 1）～5）项的影响。

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结 论

本文提出了一种转速衰减式粘度仪，能够满足快速连续多次、快速不同剪切率、快速低剪切率要求下的粘度检测需求，通过理论分析、模拟仿真、实验测试与误差修正等手段，开展了相关研究。本论文的主要研究结果归纳如下：

（1）建立了转速衰减式粘度仪的数学模型并优选了该种粘度仪的实现结构，在 MATLAB 软件中进行了仿真，通过仿真得到了转速衰减式粘度仪测头转子的基本运动规律，为转速衰减式粘度仪的设计和加工提供了理论基础；

（2）分析了转速衰减式粘度仪主要误差源的形成机理，通过仿真揭示了主要误差源对粘度检测结果的影响规律，建立了转速衰减式粘度仪的误差模型，进而提出转速衰减式粘度仪误差控制方法；

（3）针对转速衰减式粘度仪对驱动系统的要求，提出了一种以气浮轴承作为转子支撑的级联电动机作为驱动系统，该驱动系统不仅能够实现最低 5rpm的转速，满足粘度检测中低剪切率的需求，还满足了转速衰减式粘度仪测头转子要在低摩擦、低振动、低冲击的工况下工作，并可以在大范围内平滑调速的驱动要求。

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参考文献（略）