CN2089634U - 三端压电陶瓷自激振动粘度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于理化参数测量技术领域。利用 压电陶瓷片(8)受到电激励后产生形变，与其胶合在 一起的弹性金属片(7)随之形变，由另一压电陶瓷片 (8)接收，信号经过放大后再以正反馈形式把信号传 给激励压电陶瓷片(8)，因而产生电—机自激振荡。 在弹性金属片(7)的下端通过一联接杆(10)固接片状 探头(11)。在液样(14)中运动时，受到阻尼力作用， 使振荡器的输出电压幅度下降。输出电压幅度信号 经过电路与微机处理给出待测液样的粘度值。

Description

本实用新型属于理化参数测试技术领域。

粘度是液体（气体）在流动时分子内摩擦力的量度。当两个平行板间充满液体时，其中一板静止，另一板以均速运动。由于液体的粘性作用，垂直于此板不同位置的液体运动状态不同。对于牛顿液体，在一定条件下邻近静止板的液体处于静止状态，在动板附近的液体与动板运动速度相同，中间的液体则以层流状态流动，各个层流的速度不同。液体的牛顿流动定律表明，在层流状态下，液体所受到的剪切应力（τ）与剪切速率（D）成正比。

τ＝ηD

式中τ为粘度系数，是液体内摩擦力的特性函数，又称为液体粘度。

测量液体粘度的方法很多：测量单位时间内流过液过液体的体积，或者说，流过定量体积的液体所需要的时间，这种粘度计以毛细管粘度计、流孔式粘度计为代表，用这种方法可以测量液体的运动粘度；测量特定物体在液体中下落的时间，这是利用重力作用进行测量的，落塞式、落球式、滚球式粘度计均属于这种类型的粘度计；测量相对转动的物体在液体中运动时的相对偏转角度或相对作用力，转筒式粘度计、锥板式粘度计均属于这种类型粘度计；测量振动物体在液体中的衰减状态，称为振动粘度计，其中有振球式、振片式、振杆式粘度计。以上几种都是比较典型的、古典式的粘度计。有些粘度计配用了计算机后又有了新的发展。

用压电晶体作为驱动元件制作的粘度计是一种新型的粘度计。美国专利（4，799，378）介绍了“压电粘度计”。其结构是把压电驱动元件固定在一个基座上，驱动元件的一端通过一个电绝缘体，与压电接收元件固接，压电驱动元件备有输入信号引线，构成了压电驱动器与接收器，两者水平放置。在压电接收元件的自由端的垂直方向固定一个连接杆，下端与一球体探测器相固接，为粘度探头。当在驱动器的输入引线加以交流电压时，其频率与振动体的固有频率相同，此时产生振动。带动接收压电元件和探头振动，接收器的引线则有电压输出，其频率与驱动信号相同，为140Hz。当探头在液体中运动时，由于液体的阻尼作用使振动状态改变，不同的液体振动状态不同，因而得到不同的交流输出信号。这种输出信号就是液体内摩擦力的表征。输出信号用计算机处理。

该仪器有以下几个缺点和不足：联杆固定在接收压电元件的自由端，在上下运动时不作直线运动，有一偏转角，可引入测量误差；探头为球状，球体在液体中运动时，不仅受到粘性阻力的作用，还受到由于重力影响的压力作用，液体密度不同时，其重压力也不同；压电驱动器与接收器网络是他激四端网络，当由于温度、湿度等外界因素改变时，振体的固有频率改变，因而接收器的输出特性也受到影响；样品池为普通圆形，不能固定液面，引入测量误差；用***机处理信息与数据，造价高。

本实用新型为克服上述四端他激式压电晶体粘度计的缺点和不足，设计出一种三端压电陶瓷自激振动粘度传感器。

本实用新型采用了如下技术：用三端压电陶瓷自激振荡原理，输出信号与输入信号是相互联系的，其激振频率与振动体固有频率相同，不会由于温度、湿度变化使频率偏离固有振动频率，结构简单，体积小，有温度自动补偿***；联接杆是振动体的一部分，在振动时没有偏角作用，仅作微小扇形运动，但由于振幅很小，可以认为作水平运动，减少了测量误差；探头采用菱形金属薄片，面积大，截面小，在运动时受到重压力的影响小，减小了测量误差；样品池采用了溢流式，液面高度固定，没有人为对线误差；用单片机处理信息与数据，造价低。

图一给出了具体结构与工作原理。

三端压电陶瓷自激振动粘度传感器，由矩形体金属弹性振子片（7）、此块压电陶瓷片（8）、支撑杆（9）、联结杆（10）、片状探头（11）组成。此块压电陶瓷片（8）的内电极用导电胶分别中心对称地粘接在弹性振子片（7）的两面，弹性振子片（7）的下端固定一个联接杆（10）的上端，联接杆（10）的下端固接片状电极（11），此片压电陶瓷片（8）的外电极分别为输入电压信号端（12）和输出电压信号端（13），输入端（12）的电压信号和输出端（13）的电压信号相同，构成正反馈振荡，在输入电压和输出电压的共同作用下，压电陶瓷片（8）产生机械形变，由弹性振子片（7）、压电陶瓷片（8）、联接杆（10）、片状探头（11）组成的振子***有三个机械振动节点A、B和C，在节点A处和B处，支撑杆（9）将振子***固定支撑，被测液样（14）的表面位于节点C处。

粘度传感器探头为菱形、圆形和椭圆形的金属薄片。

三端压电陶瓷自激振动粘度传感器的外部电路工作原理如下：电压输出端（13）经前置放大器（16）和振荡输出放大器（17）再到电压输入端（12），构成正反馈自激振荡电路；前置放器（16）的输出端联接交／直流转换器（AC／DC）（17）的输入端；被测液样（14）中***温度探测器（19），探测器（19）的温度数值经温度／电压转换器（T／V）（20）输入到直流放大器（21）的输入端；AC／DC转换器（17）和直流放大器（21）的输出信号通过A／D转换器（24）送至微机CPU（22），CPU（22）的***设备（23）进行被测液样（14）的设定温度下的测量数据进行存储，打印或屏幕显示。

测量液体粘度时的具体操作可如下进行：把液样（14）倒入样品池（15）中直到溢流口位置，样品池（15）置入恒温液（5）中，预热恒温到液样（14）温度平衡，使传感器（19）探头浸没于液样（14）中，通过CPU***设备（23）的键盘预置温度。在预置温度下，仪器可自动给出测量结果，同时，该议器也可以在任意温度下进行手动直接测量，同样可以给出测量结果。

本实用新型具有测量液体粘度值、测量液体瞬时粘度值、测量液样实时温度值、测量液体的温／粘曲线、测量液体／固体转换温度的功能。

本实用新型测量范围宽、应用范围广，可以广泛地用于石油、化工、食品、医药、造纸、农业各个领域，尤其在石油生产***，需求量更大。因此，该传感器***国民经济中的直接经济效益和间接经济效应都是可观的。同时，还可以进入国际市场。

Claims (3)

1、三端压电陶瓷自激振动粘度传感器，它由矩形金属弹性振子(7)、两块压电陶恣片(8)、两个支撑杆(9)、联接杆(10)、片状探头(11)组成，其特征在于两块压电陶瓷片(8)的内电极用导电胶分别中心对称粘接于弹性振子片(7)的两面，弹性振子片(7)的下端固接联接杆(10)的上端，联接杆(10)的下端固接片状探头(11)，两块压电陶瓷片(8)的外电极分别为输入电压信号端(12)和输出电压信号端(13)，输入端(12)的电压信号和输出端(13)的电压信号同相，构成正反馈振荡，在输入电压和输出电压的共同作用下，压电陶瓷片(8)产生机械形变，由弹性振子片(7)、压电陶瓷片(8)、联接杆(10)、片状探头(11)组成的振子***有三个机械振动节点A、B和C，在节点A处和节点B处，两个支撑杆(9)将振子***固定支撑，被测液样(14)的表面位于节点C处。

2、按照权利要求1所说的粘度传感器，其特征在于所说的电压输出端（13）经前置放大器（16）和振荡输出放大器（18）再到电压输入端（12）构成正反馈回路，所说的前置放大器（16）的输出端联接交直流转换器（AC／DC）（17）的输入端，所说的被测液样（14）中***温度探测器（19），探测器（19）的温度数值经温度电压转换器（T／V）（20）输入到直流放大器（21）的输入端，AC／DC转换器（17）和直流放大器（21）的输出信号通过A／D转换器（24）送至微机CPU（22），CPU（22）的***设备（23）进行被测液样（14）在设定温度下的测量数据进行存储、打印或屏幕显示。

3、按照权利要求1所说的粘度传感器，其特征在于所说的片状探头（11）为金属材料，形状为菱形、圆形和椭圆形。