[发明专利]平面振动式粘度计、粘度计构件和相关方法

说明书

提供了一种粘度计(700)，该粘度计用于确定粘度计中的气体的粘度。粘度计(700)包括驱动器(704)和能够通过驱动器(704)振动的平面振动构件(500，600)，该平面振动构件包括本体(502)和从本体(502)伸出的可振动部分(504)，其中，可振动部分(504)包括多个可振动悬臂式突出部。至少一个检出传感器(706)配置成检测振动构件(500，600)的振动。计量电子设备(900)包括接口(901)，该接口配置成向驱动器(704)发送激励信号并且从至少一个检出传感器(706)接收振动响应，测量平面振动构件(500，600)的Q值和共振频率，并且使用所测量的Q值和所测量的共振频率确定粘度计中的气体的粘度(923)。

技术领域

本发明涉及振动计，并且更具体地涉及用于利用平面构件测量粘度的方法和设备。

背景技术

粘度是描述流动阻力的流体特性。粘度的通常定义是流体的内摩擦的量度。特别地，当使一层流体相对于另一层移动时，这种内摩擦变得明显。因此，粘度通常被描述为材料的一个部分在该材料的另一部分上移动所经受的阻力。粘度通常用于表征石油流体，比如燃料、油和润滑剂，并且这些石油流体通常在石油产品的贸易和分类中进行指定。例如，石油产品的运动粘度通常通过标准方法以毛细管粘度计测量，该标准方法比如为由美国试验与材料协会(ASTM)D445标准描述的方法。这样的测量包括在给定温度下，在可重复力下，测量固定量的液体在重力作用下流动通过校准的玻璃毛细管的时间。毛细管粘度计主要由Hagen-Poiseuille方程特别针对牛顿流体进行定义。在牛顿流体中，剪切应力与剪切速率成比例，并且比例常数被称为粘度。为了用毛细管粘度计测量粘度，压降和流动速率是独立测量的，并且与一些已知粘度的标准流体相关联。因此，认为这种方法论对于液体是准确的，但是必须经由不同的方法来测量气体粘度。

通常希望确定在管道或导管中流动的气体的粘度。这样做是因为在许多工业过程中，必须将流动材料保持处于规定的粘度。气体粘度的测量可能是非常有用的；它可以直接用于确定雷诺数(Reynold’s number)，并且因此确定用于孔板和涡轮气体流量计的校正因子。它也可以与其他参数，比如气体密度、声速或热导率一起使用，以使用推理计算方法确定有用的性能，比如气体可压缩性或气体能量。气体的密度随着压力的增加而增加，而平均自由程随着压力的增加而减小，因此气体的粘度基本上与气体压力无关。

利用机械共振器，比如振动音叉的计量器在粘度测量领域中已经取得了一些成功。使用机械共振器测量液体粘度可以通过平衡Navier Stokes方程和牛顿运动定律得到，获得以下形式的方程：

其中，η是流体粘度，ρ是流体密度，ω₀是无阻尼的角共振频率(2πf₀)，A是与真空中的共振器的Q值有关的常数，以及B是与传感器的刚度、质量和几何形状有关的常数。Q值是描述振荡器或共振器的欠阻尼情况的无量纲参数。

密度和共振频率通过以下形式的方程相关：

其中，C和D是与共振器的刚度、质量和几何形状有关的常数，因此给出：

为了简单起见，共振频率可以视为与f₀相同，f₀是无阻尼共振频率。对于许多实际应用，粘度传感器将在与现场测量的流体类似的流体上进行校准，并且因此频率将不变，因此频率可以视为常数，并且因此方程可以采取类似于以下的形式：

其中，E本质上是基于传感器的刚度、质量和几何形状以及标称共振频率的常数。所提供的方程作为非限制性示例提供。