磁场中磁流体粘度测试系统的实现

    1　引　言

    磁流体作为一种新型液体功能材料应用广泛,其中最具代表性的是密封。目前,磁流体真空密封和气体密封已经达到实用阶段,但是在液体动密封上鲜有成功报道,原因在于磁流体与被密封液体的界面稳定性问题没有得到很好解决[1]。为此,国内外学者从两个方面进行了研究,一是研制与被密封介质不相溶的磁流体[2,3],二是研究外加磁场对界面稳定性的影响[4]。在外加磁场中,磁流体的粘度发生了变化,这种变化对于界面稳定意义重大[5],所以测定外加磁场中磁流体的粘度,研究其变化规律是解决动密封问题的突破口之一。

    Mctague最早用毛细管粘度计测定了甲苯基钴磁流体在外加磁外场中的粘度[6],但是在磁场很强或者浓度较高时,磁场力的作用会超过重力作用,使磁流体的流动困难,因此这种方法仅具有理论意义而不具有实用价值。Deysakar用具有非磁性轴的数字Brook-field粘度计及置于样品室旁边的永久磁铁(通过改变磁铁与样品的距离来得到变磁场)研究了外加磁场对磁流体粘度的影响[7],显然其结果只能是定性的。日本的神山新一等采用同心圆筒形回转粘度计研究了磁场中磁流体粘度的变化规律[8],但是其磁场由电磁铁提供,体积庞大、系统复杂,还需冷却水,未能得到普及。综上可见,为尽早突破磁流体密封界面稳定性问题,有必要研制一种能够对磁流体在变磁场中粘度进行精确测量的仪器。

    2　系统的测试原理

    磁流体在粘度测试时要受到磁场力作用,加之其大多流法均不合适,作者采用旋转法,测试原理见图1。工作时外筒固定,待测液体充满内外筒间隙,通过内筒的旋转带动待测液体作旋转剪切运动,液体作用其表面的切应力将形成剪切阻力矩,大小和粘度有关系,通过测量力矩就可以确定该液体的粘度。在内外筒间隙非常小和内筒匀速旋转时,待测液体的流动可看作Couette流动[9],则可得:

    为深色不透明,因此采用传统的落体法或出式中　Mz为内筒旋转阻力矩;r1为内筒半径;r2为外筒半径;n为内筒转速;L为内筒长度;η为待测液体的动力粘度。

    由上式可见,在内外筒结构参数已知时,测出内筒上旋转阻力矩Mz及转速n就可求出磁流体的动力粘度η。

测量阻力矩时,要保证检测装置对内筒较高的定位精度和完全屏蔽掉外磁场十分困难,因此即使选用灵敏度很高的扭矩检测装置,也很难满足测量精度的要求。基于此,作者着眼于内筒旋转阻力矩的变化在其驱动机构的反映上。若在直流电机电枢回路串接一个电阻R,则电机的人为机械特性方程为: