[发明专利]一种适用于流体黏度和密度同时测量的方法及装置

说明书

本发明公开了一种适用于流体黏度和密度同时测量的方法及装置。根据浸没于流体中的振动音叉的物理模型，建立了一组基于双音叉的黏度、密度测量方程；其中的密度测量式与以往采用的经验关联式相比，在不影响测量精度的同时，具有实际物理意义——式中各参数均由音叉的结构、尺寸、材质决定，对于音叉的设计和选型具有参考作用。基于所提出的方法，提供了一种流体黏度、密度同时测量的装置，具有体积小、操作方便、应用场景广等优点，可用于测量高温高压流体的黏度和密度。

技术领域

本发明涉及流体热物理性质测量技术领域，具体涉及一种同时测量流体黏度和密度的方法及装置。

背景技术

黏度和密度是流体的基本热物理性质。在科学研究中，黏度和密度是研究热力学、传热学、流体力学等学科以及开发与利用新能源、设计新材料等专业领域的数据基础；在工程设计和工业生产中，准确的黏度、密度数据是化工装备设计、生产流程控制、设备安全检测、产品质量评定的重要依据，在石油化工、生物医药、能源环保以及国防建设等领域具有广泛应用。因此，流体的黏度和密度是不可或缺的热物性参数。

目前，有关流体黏度、密度同时测量装置的研究报道很少。中国专利CN112748046A提供了一种集成了毛细管黏度计和振动管密度计的管路系统，利用两种测量仪器分别测量流体的黏度和密度，测量精度高，但其系统较为复杂，体积较大，整体成本也较高。美国专利US 2003041653 A公开了一种利用压电石英音叉同时测量流体黏度和密度的方法，通过从音叉在流体中的共振频率和阻抗、品质因子等电气参数中提取黏度、密度信息，但其中电学信号受到电极布置方案以及所处流体环境中的杂质等因素影响，往往很难准确且稳定地测量，大大阻碍了其推广应用——例如在对大型机械设备的润滑油的黏度测量时，油液中金属磨屑所带来的阻抗偏差往往导致较大的测量误差；中国专利CN107601424A公布的一种基于面内共振的MEMS黏密度传感器也存在类似的问题。中国专利CN114594021A(申请号202210225611.0)中公布了一种非对称双压电音叉式黏密度传感器，仅需测量两音叉各自在流体中的共振频率即可求出流体的黏度和密度，避免了电气特性参数的测量，具有较高的精度；该传感器通过给定的经验关联式来测量密度，系数需通过实验标定，然而该式的使用对音叉的结构、尺寸、材料等参数有着一定的要求，却无法为这些参数的设计提供合理、有效的指导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于流体黏度和密度同时测量的方法，与以往采用的经验关联式相比，在不影响测量精度的同时，所建立的测量方程中各个参数均与音叉的结构、尺寸、材料等物理参数有关，对于音叉的设计具有参考价值。

本发明的目的还在于基于所提出的方法，提供了一种流体黏度和密度同时测量的装置，具有体积小、操作方便、应用场景广等优点，可用于高温高压流体黏度、密度的测量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种适用于流体黏度和密度同时测量的方法，包括以下步骤：

1)在真空中，利用压电材料的逆压电效应驱动双音叉结构体产生振动，同时利用各音叉中另一压电体的压电效应来检测音叉的共振频率f_1,vac、f_2,vac；

2)在恒温恒压条件下，将双音叉依次浸没于若干种已知黏度η、密度ρ的流体，驱动音叉在流体中振动，分别测量得到两音叉的共振频率f_1,liq、f_2,liq；

3)根据测量数据集(η,ρ,f_1,liq,f_2,liq)并结合已标定常数f_1,vac、f_2,vac，以f_1,liq为自变量，以ρ为因变量，按照式进行拟合得到标定系数B₁；以f_2,liq和ρ为自变量，以η为因变量，按照式拟合得到标定系数A₂、B₂，