一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计及其测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计，其特征在于，包括铝片、悬浮转子、磁极阵列、密闭容器、线圈组、线圈控制器、激光位移传感器、气压表、第一气阀、第二气阀；铝片与悬浮转子均为圆片状，两者同心地粘合在一起，磁极阵列设置在密闭容器内部底面上，悬浮转子悬浮于磁极阵列上方，线圈控制器控制线圈在铝片上方产生旋转磁场，通过激光位移传感器捕捉铝片的运动数据，通过测量铝片的转速进而得到气体的粘度值。本发明专利技术实现了气体微小粘度高精度测量功能，将电涡流效应与抗磁悬浮技术相结合，利用抗磁悬浮技术低刚度、无机械摩擦的特点，实现了低粘度气体粘度的精确测量。实现了低粘度气体粘度的精确测量。实现了低粘度气体粘度的精确测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计及其测量方法


[0001]本专利技术公开了一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计及其测量方法，属于精密仪器仪表领域。

技术介绍

[0002]近年来，测量低粘度流体粘度的需求急剧增加，尤其是当雷诺数较小时，主导流体的主要是流体粘度，而不是惯性，因此能精确测量流体粘度的粘度计正在逐步开发中。气体粘度为微帕秒级，其精确测量广泛应用于车辆控制、航空航天和建筑机械等领域，随着各种高精度流体粘度传感器逐渐被开发，气体粘度计引起了相关领域的高度关注。
[0003]目前气体粘度计主要包括：毛细管式、振动式、旋转式。毛细管式粘度计是将待测样品放入一容器中，计算流体流出毛细管口的时间而间接得到流体的粘度，样品粘度越大，这段时间越长；振动式流体粘度计的工作原理为：处于流体内的物体振动时会受到流体的阻碍作用，并且此作用的大小与流体的粘度有关，然后在已知密度的情况下，通过测量振幅而得出粘度值；旋转式粘度计是通过测量流体作用于物体的粘性力矩或物体的转速而获得流体的粘度值的，缺点是装置运行时存在摩擦损失，一般用于高粘性流体粘度的测量。
[0004]对于微小粘度流体的测量而言，尤其是气体，由于受机械摩擦的影响，目前粘度计的测量范围和测量精度是有限的，毛细管式粘度计虽然能测量低粘度流体，但其原理是基于流体不可压缩的假设进行的，显然这种假设会对气体的测量产生影响。
[0005]抗磁悬浮是利用抗磁性物质的抗磁性使其在磁场中稳定悬浮的技术，最初于18世纪年发现，但由于抗磁力自身非常微弱，研究人员当时并未对抗磁悬浮进行深入的研究。直到近30年来，随着微细制造与强磁场技术的发展，抗磁悬浮相关研究及应用才开始兴起。抗磁悬浮不受Earnshaws定理的限制，可以实现常温、被动、无摩擦、静态稳定悬浮，且对悬浮物重力的变化具有较高的敏感度，在高精密及超高精密仪器角度测量中具有极大的应用前景。
[0006]在本专利技术之前，在抗磁悬浮气体粘度计方面，国内外相关研究处于起步阶段，大多数研究侧重于利用物理机械测量高粘度流体，利用抗磁悬浮技术精确测量超低粘度气体粘度的研究相对较少。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有旋转式粘度计摩擦损失对精度影响较大，而典型毛细管式粘度计的流体不可压缩性假设对气体不适用的局限性，提出了一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计，包括铝片、悬浮转子、磁极阵列、密闭容器、铜线绕制而成的线圈组、线圈控制器、激光位移传感器、气压表、第一气阀、第二气阀，所述铝片、悬浮转子、磁极阵列、激光位移传感器位于密闭容器内，铝片与悬浮转子均为
圆片状，两者同心地粘合在一起，磁极阵列设置在密闭容器内部底面上，悬浮转子悬浮于磁极阵列上方，悬浮点位于磁极阵列总势能的极小值点处，铝片与密闭容器无接触，悬浮转子与磁极阵列互不接触；线圈组包括N个相同的线圈，N为偶数，线圈组环形等间距排列，即线圈组所在位置等间距的位于一个圆上，相邻两线圈的通入电流方向相反，以获得大小相等，方向相反的磁场，由于楞次定律，旋转磁场对铝片产生切向驱动力；线圈组用环氧粘接胶固定于密闭容器上方，即线圈端面与密闭容器上表面粘结在一起，并位于铝片正上方，与悬浮转子正下方的磁极阵列作用驱动铝片和悬浮转子旋转；所述气压表用以监测密闭容器内的气压，通过调整第一气阀和第二气阀保证密闭容器内的气压为大气压；磁极阵列包括环形磁体和圆柱形磁体，环形磁体和圆柱形磁体充磁方向均为轴向，所述环形磁体轴向上充磁、圆柱形磁体轴向下充磁，将两块磁体组合成磁极阵列，环形磁体的内径和圆柱形磁体的外径相同，两者的高度尺寸相等，圆柱形磁体置于环形磁体内环中；线圈控制器控制线圈在铝片上方产生旋转磁场，通过激光位移传感器捕捉铝片的运动数据，通过测量铝片的转速进而得到气体的粘度值。
[0010]进一步地，还包括高压放大器、数字模拟转化器、线圈控制器，线圈控制器产生N路两相低压数字驱动信号，N与线圈个数相同，然后经过数字模拟转换器转换为N路两相低压模拟信号，接着通过高压放大器，在铝片上方产生磁场，由于该驱动信号为周期性交变电流，因此线圈产生的磁场为随时间周期性变化的旋转磁场。
[0011]进一步地，悬浮转子采用抗磁性材料，所述抗磁性材料包括热解石墨；密闭容器采用不锈钢制成。
[0012]进一步地，铝片用可产生涡流效应的金属材料代替，包括纯铁、硅钢片等。
[0013]进一步地，密闭容器中为空气时，可根据待测气体相对空气的密度确定第一气阀和第二气阀的功能类型：根据气体密度确定进气阀、排气阀，当待测气体密度大于空气密度时，第一气阀作为进气阀，第二气阀作为排气阀；当待测气体密度小于空气密度时，第一气阀作为排气阀，第二气阀作为进气阀。
[0014]进一步地，在密闭容器上还设置有真空泵，所述真空泵用于抽真空，使密闭容器中为真空，将第一气阀和第二气阀任一气阀作为进气阀，另一气阀作为排气阀，将待测气体通入密闭容器。
[0015]进一步地，线圈组向铝片感应旋转磁场，根据法拉第定律，旋转磁场在铝片中感应出涡流，然后洛伦兹力产生扭矩作用在铝片上；通过激光位移传感器捕捉铝片稳定旋转产生的径向振动的振幅，得到振动位移随时间变化的关系曲线，再进行分析处理获得铝片的转速；控制线圈电流的大小，使铝片获得一个稳定的转速，当铝片以恒定速度稳定旋转时，铝片(1)受力平衡，其中z方向上的力矩平衡方程为
[0016]T
z
+(T
v
)
z
+(T
b
)
z
＝0
ꢀꢀꢀ
(6)
[0017]式中，T
z
为驱动力矩，是洛伦兹力作用在铝片上的总扭矩的z分量；(T
v
)
z
是铝片及悬浮转子与流体之间的摩擦而产生的粘性扭矩的z分量；由于实际上磁极阵列产生的磁场不具有完全的对称性，如加工、装配误差引起，故(T
b
)
z
为该不完全对称磁场产生的电磁阻尼；通过测量铝片的转速进而得到气体的粘度值；
[0018]所述驱动力矩T
z
为：
[0019][0020]式中，σ为铝片(1)的电导率，d为铝片(1)的厚度，B
z
为磁通密度，是线圈组通电时产生的旋转磁场的磁通密度在铝片z方向的分量，R为铝片半径，f为通入线圈组电流的频率，Ω
A
为铝片(1)的稳定转速；
[0021]所述粘性扭矩(T
v
)
z
为：
[0022][0023]式中，η为待测气体粘度，h为悬浮转子(2)和磁极阵列(3)之间的间隙高度；
[0024]所述电磁阻尼(T
b
)
z
为：
[0025][0026]式中，为磁极阵列的磁通密度。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计，其特征在于，包括铝片(1)、悬浮转子(2)、磁极阵列(3)、密闭容器(4)、线圈组(5)、线圈控制器(10)、激光位移传感器(12)、气压表(13)、第一气阀(18)、第二气阀(19)，所述铝片(1)、悬浮转子(2)、磁极阵列(3)、激光位移传感器(12)位于密闭容器内，铝片(1)与悬浮转子(2)均为圆片状，两者同心地粘合在一起，磁极阵列(3)设置在密闭容器内部底面上，悬浮转子(2)悬浮于磁极阵列(3)上方，悬浮点位于磁极阵列(3)总势能的极小值点处，铝片(1)与密闭容器(4)无接触，悬浮转子(2)与磁极阵列(3)互不接触；线圈组(5)包括N个相同的线圈，N为偶数，线圈组环形等间距排列，即线圈组所在位置等间距的位于一个圆上，相邻两线圈的通入电流方向相反，以获得大小相等，方向相反的磁场，由于楞次定律，旋转磁场对铝片(1)产生切向驱动力；线圈组(5)用环氧粘接胶固定于密闭容器(4)上方，即线圈端面与密闭容器(4)上表面粘结在一起，并位于铝片(1)正上方，与悬浮转子(2)正下方的磁极阵列(3)作用驱动铝片(1)和悬浮转子(2)旋转；所述气压表(13)用以监测密闭容器(4)内的气压，通过调整第一气阀(18)和第二气阀(19)保证密闭容器(4)内的气压为大气压；磁极阵列(3)包括环形磁体(6)和圆柱形磁体(7)，环形磁体(6)和圆柱形磁体(7)充磁方向均为轴向，所述环形磁体(6)轴向上充磁、圆柱形磁体(7)轴向下充磁，环形磁体(6)的内径和圆柱形磁体的外径相同，两者的高度尺寸相等，圆柱形磁体(7)置于环形磁体(6)内环中；线圈控制器(10)控制线圈在铝片(1)上方产生旋转磁场，通过激光位移传感器(12)捕捉铝片(1)的运动数据，通过测量铝片(1)的转速进而得到气体的粘度值。2.根据权利要求1所述的一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计，其特征在于，还包括高压放大器(8)、数字模拟转化器(9)、线圈控制器(10)，线圈控制器(10)产生N路两相低压数字驱动信号，N与线圈个数相同，然后经过数字模拟转换器(9)转换为N路两相低压模拟信号，接着通过高压放大器(8)，在铝片(1)上方产生磁场，由于该驱动信号为周期性交变电流，因此线圈产生的磁场为随时间周期性变化的旋转磁场。3.根据权利要求1所述的一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计，其特征在于，悬浮转子(2)采用抗磁性材料，所述抗磁性材料包括热解石墨；密闭容器(4)采用不锈钢制成。4.根据权利要求1所述的一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计，其特征在于，铝片(1)用可产生涡流效应的金属材料代替，包括纯铁、硅钢片。5.根据权利要求1或4所述的一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计，其特征在于，密闭容器(4)中为空气时，可根据待测气体相对空气的密度确定第一气阀(18)和第二气阀(19)的功能类型：当待测气体密度大于空气密度时，第一气阀(18)作为进气阀，第二气阀(19)作为排气阀；当待测气体密度小于空气密度时，第一气阀(18)作为排气阀，第二气阀(19)作为进气阀。6.根据权利要求1或4所述的一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计，其特征在于，在密闭容器(4)上还设置有真空泵，所述真空泵用于抽真空，使密闭容器(4)中为真空，将第一气阀(18)和第二气阀(19)任一气阀作为进气阀，另一气阀作为排气阀，将待测气体通入密闭容器(4)。7.根据权利要求1所述的一种基于电涡流效应的抗磁悬浮气体粘度计，其特征在于，线圈组(5)向铝片(1)感应旋转磁场，根据法拉第定律，旋转磁场在铝片(1)中感应出涡流，然后洛伦兹力产生扭矩作用在铝片(1)上；通过激光位移传感器(12)捕捉铝片稳定旋转产生
的径向振动的振幅，得到振动位移随时间变化的关系曲线，再进行分析处理获得铝片(1)的转速；控制线圈电流的大小，使铝片(1)获得一个稳定的转速，当铝片(1)以恒定速度稳定旋转时，铝片(1)受力平衡，其中z方向上的力矩平衡方程为T
z
+(T
v
)
z
+(T
b
)

【专利技术属性】
技术研发人员：徐园平，凌日旺，江琦琦，周瑾，金超武，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：