（材料加工工程专业论文）常温液体粘度表面张力密度综合测试仪的研制.pdf

0 c l a s s i f i e di n d e x ：t p 2 1 6 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e e o fm e n g d e v e l o p m e n t o fam u l t i f u n c t i o n a l a p p a r a t u sf o r f a s t m e a s u r i n g v i s c os i t ys u r f a c e t e n s i o na n d d e n s i t yo f n o r m a l t e m p e r a t u r el i q u i d c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e d f o r ： s p e c i a l t y 。 a d d r e s s ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： g a og u i l i l id a y o n g m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g c o l l e g eo fm a t e r i a ls c i e n c e e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 0 6 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y 啪2删 删6册3mmmmi8删1y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文常温液体粘度密度表面张力综合 测试仪的研制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：南箍翔 日期：矿加占年 弓月7 乙日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 常温液体粘度密度表面张力综合测试仪的研制系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密臼，在己年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 日期：州6 年 月l 乙日 日期：力曲石年夕月。日 纫汐 鼍氏， 硅 ， 句奇 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 常温液体粘度一表面张力密度 综合测试仪的研制 摘要 粘度、密度、表面张力是液体的主要物性参数，是石油化工、医药等工业领 域检测的重要参数，也是评价液体质量的重要标准。因此，研究液体粘度、密 度、表面张力的测试方法与装置具有重要的实际意义。 本文综述了常温液体粘度、密度、表面张力快速检测的研究现状和发展趋势， 讨论了常温液体粘度、密度、表面张力综合测试仪的基本测试原理及机械结构 设计，并对测试系统的硬件电路及程序设计方法作了详尽介绍。 本测试装置基于静力称衡法测量液体密度，选用旋转柱体法中的外旋法测定 液体粘度，而对表面张力的测量采用了一种新的方法- 座泡幅频当量法。该 方法是在深入分析气泡最大压力法的基础上提出来的，其基本原理是在固定时 间内向被测液体吹气，通过测定所形成气泡的个数、气泡内压力变化及液体温 度来计算表面张力。 综合测试仪由多功能测试探头、称重单元、供气单元、数据采集与处理单元 等若干单元构成，具有结构紧凑、布局合理、体积小、可同时实现多参数测量 等优点。根据测试系统机械结构布局的需要，自行研制了用于液体粘度测试的 电容式传感器，可实现低粘度液体的测试。以8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核心，通过外 扩程序存储器、数据存储器、i o 接口电路和模拟信号放大电路，实现了常温液 体温度、吹气压力、试样重量、旋转阻力等信息参数自动采集，粘度、密度、 表面张力等参数的计算、显示和打印。 关键词粘度；表面张力；密度；多功能测试仪 却 ， 哈尔滨理工大学工学硕仁学位论文 d e v e l o p m e n to fam u l 月i f u n c t i o n a l a p n u r a t u sf o rf a s tm e a s u l u n g v i s c os i t ys u r f a c et e n s i o na n dd e n s i t y o fn o r m a lt e m p e r a t u r e l i q u i d a b s t r a c t v i s c o s i t y , d e n s i t y a n ds u r f a c e t e n s i o na r e s i g n i f i c a n tp h y s i c a lp r o p e r t y p a r a m e t e r so fl i q u i d ，w h i c ha r ev e r yi m p o r t a n te x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sc r i t e r i ao f e v a l u a t i n gl i q u i dq u a l i t yi np e t r o c h e m i c a li n d u s t r ya n dm e d i c i n ed o m a i n s oi ti sv i t a l p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o pn o v e li n s t r u m e n to ff a s tm e a s u r i n gv i s c o s i t y , d e n s i t y a n ds u r f a c et e n s i o n i nt h i sp a p e r , t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo fv i s c o s i t y , d e n s i t y a n ds u r f a c et e n s i o n s p e e d yt e s t e r o fn o r m a l t e m p e r a t u r el i q u i d a r e s u m m a r i z e da n dt h et e s t i n gp r i n c i p l eo fm u l t i f u n c t i o n a la p p a r a t u sa n dt h em e c h a n i s m d e s i g na r ed i s c u s s e d t h em e t h o do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni sa l s od e t a i l e d i nt h e t e s t i n gd e v i c et h el i q u i dd e n s i t yi sm e a s u r e db yt h e s t a t i cw e i g h i n g m e t h o da n dt h ev i s c o s i t yi sm e a s u r e db yr e v o l v e dc y l i n d e rm e t h o d an e wm e t h o d a m p l i t u d ea n df r e q u e n c ye q u i v a l e n to fb u b b l e s ，i su s e dt om e a s u r et h es u r f a c e t e n s i o n t h en e wm e t h o df o rf a s tt e s t i n gs u r f a c et e n s i o no fn o r m a ll i q u i di sd e v e l o p e d b a s e do nm a x i m u mb u b b l ep r e s s u r em e t h o da n dt h ep r i n c i p l eo fw h i c hi st oc a l c u l a t e l i q u i ds u r f a c et e n s i o na c c o r d i n gt ot h ep r e s s u r ed i f f e r e n c ei nab u b b l ea n dt h en u m b e r o f b u b b l e sw h i c ha r eb l o w ni n t ol i q u i dw i t h i nf i x e dp e r i o d t h em u l t i f u n c t i o n a lt e s t i n gd e v i c ew h i c hi sm a d eu po ft h em u l t i f u n c t i o n a l p r o b eh e a d ，t h ew e i g h tu n i t ，t h ea i rf e e d i n gu n i t ，t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g u n i ta n ds oo nh a st h em e r i t so fc o m p a c ts t r u c t u r e ，r e a s o n a b l el a y o u t ，s m a l lv o l u m e a n dm u l t i - p a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t t om e e tt h er e q u i r e m e n to fi n s t a l l i n gm e c h a n i s m ， t h ec a p a c i t a n c es e n s o rw h i c hm a ym e a s u r ev i s c o s i t yo fl o wv i s c o u s l i q u i d i s d e v e l o p e db ya u t h o r o nt h ec o r eo f8 0 c 19 6 k c ，b ye x t e n d i n gr o m ，r a m ，i o i i r i n t e r f a c ec i r c u i ta n da n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，t h em e a s u r i n ga p p a r a t u s h a s r e a l i z e dt h es y n t h e t i cm e a s u r c m e n to fn o r m a lt e m p e r a t u r el i q u i dp a r a m e t e r s ，b y u s i n g w h i c ht h ei n f o 珊a t i o np a r a m e t e r si n c l u d i n gt h e a i rp r e s s u r e ，t h em e a s u r i n gs a m p l e w e i g h ta i l dr e v 。1 v i n gr e s i s t a n c ec a nb eg a t h e r e d a n dt h er e s u l t ss u c ha sv i s c o s i t y d e n s i t ya n ds u r f a c et e n s i o n o fl i q u i dc a nb ed i s p l a y e da n dp r i n t e da u t o m a t i c a l l y k e y w o r d sv i s c o s i t y ；s u r f a c et e n s i o n ；d e n s i t y ；m u l t i f u n c t i o n a la p p a r a t u s i i i 第3 章测试装置的机械结构及供气回路单元设计。1 5 3 1 测试装置总体构成及工作过程1 5 3 2 多功能检测探头1 6 3 2 1 粘度测试的电容传感方法1 7 3 2 2 表面张力测试功能实现方法1 9 3 2 3 温度传感器选定2 0 3 3 称重单元的结构设计一2 0 3 3 1 称重传感器的选定2 0 3 3 2 称晕传感器的安装方式2 1 3 4 供气单元叫路设计2 2 3 4 1 测试气源的选择2 3 3 4 2 节流阀的选择2 3 3 5 本章小结。2 4 第4 章测试装置的数据采集与处理单元硬件设计2 5 4 1 数据采集与处理单元硬件总体结构2 5 4 28 0 c 1 9 6 k c 单片机的扩展电路2 5 4 2 18 0 c 1 9 6 k c 单片机的： 作特性2 6 4 2 28 0 c 1 9 6 k c 单片机的扩展电路2 7 4 3 模拟量输入信号处理电路3 0 4 3 1 微压差信号处理电路3 0 第 5 2 单片机主程序设计4 0 5 3 键盘管理程序设计4 1 5 4 中断服务子程序设计。4 2 5 5d s l 2 1 6 d 日历时钟功能子程序设计4 4 5 6 其它子程序设计。4 6 5 7 本章小结。4 6 第6 章测试装置总体调试与测试实验一4 7 6 1 分单元调试方法4 7 6 2 系统总体调试方法。4 7 6 3 传感器的校正一4 8 6 3 1 温度传感器的校正4 8 6 3 2 称重传感器的校正5 0 6 3 3 粘度传感器的校正5 1 6 4 实验室模拟测试一5 3 6 4 1 单参数测试5 3 6 4 2 多参数综合测试5 6 6 5 本章小结5 6 j i 论! ；8 参考文献5 9 攻读硕士期间发表的学术论文6 4 致谢6 5 哈尔滨理 1 1 课题的来源及意义 第 本课题为“常温液体粘度。密度表面张力快速测试装置的研制”，属自拟课 题。 液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要物理参数【1 】，在化工、医学、 工业等领域中有着重要的应用 2 1 1 3 1 。因此，研究液体表面张力的测试方法和仪器 具有重要的理论价值和实际意义【引。 粘度是液体的重要物理性质和重要技术指标之一【5 】，粘度的准确测定在许多 工业部门和科学研究领域中都具有重要意义，特别是石油化工、医药、冶金、 食品等行业中，粘度的准确测量可有效地控制生产过程及产品质量【6 1 。如，人体内 正常血液循环要求血液粘度保持在合适的水平上，血液粘度异常会导致微循环 和组织的新陈代谢出现障碍，因而血液粘度的准确测量将有助于病情的及时诊 断和疾病的有效预防【7 】【s l 。因此，有关粘度测定技术，液体粘度测定方法及装置 的研究一直以来备受关注。 常温液体的密度也是一个经常测试的物理参数，液体密度测试被广泛的应 用于车辆燃油的运输、贮存等管理过程，以及酒类、油类、饮料等产品的分析过 程1 9 1 。本装置中仍使用经典的密度测试方法，即静力称衡法。 综上所述，无论是表面张力、粘度还是密度都是液体重要的物性参数，研 究其测量方法和检测装置具有理论价值和实际意义。随着计算机技术的发展和 对快速测量要求的提高，高水平的单项参数检测仪器都早有商品出售，但既能 检测液体表面张力又能检测液体粘度和密度的多功能快速测试仪，目前还未见 相应的报道。本文试图尝试一种创新设计，研制一种集粘度、表面张力和密度 检测于一身的综合性分析仪器，为某些重要常温液体的质量评价提供必要检测 手段。 1 2 常温液体粘度一表面张力一密度快速检测的研究现状 1 2 1 常温液体粘度快速检测 液体粘度通常是指单相液体内部的粘度，即液体流动时所表现出来的内摩 哈尔滨理t 大学t 学硕七学位论文 擦 1 0 1 1 1 1 1 ，它有别于液体的表( 界) 面粘度。测定液体粘度的方法很多，典型的传统 测定方法主要有毛细管法、扭摆振动法、落球法、旋转法等1 1 2 l 【1 3 i 。 1 毛细管法假设粘滞液体在内径为刚约管内以一定速度流动，则该部分液 体的动能增加要消耗外力，因此根据p o i s e u l l e 定律【1 4 1 ，在引入动能修正项后，粘 度可表示为： ，7 =万厂4 0 1 一p 2 t m p v , 8 l v , 8 7 正f ( 1 - 1 ) 式中，毛细管半径； t - 液体流经毛细管的时间； l 毛细管长度； 矿f 时间内液体所流过的体积； p ，流体单元所受的压力； p ，流体单元所受的压力； p 液体的密度； m 常数 液体在毛细管两端流动时，不可能完全保持层流条件，要有径向流动，于 是还须引入附加管长修正项，l ，则公式( 1 1 ) 变为： 刀一错一研m p 可v , ( 1 - 2 ) 根据上述原理制成的典型装置是水平毛细管粘度计【1 5 1 ，如图1 1 所示，该装 加 容积 图1 - 1 毛细管粘度计示意图 f i g 1 - 1t h es k e t c hm a po fh o r i z o n t a lc a p i l l a r yv i s c o m e t e r 置用石英玻璃制成，毛细管内径r = o 1 m m ，长l = 1 7 5 m m 。它除可测量常温液体 粘度外，还可测高温液态 口管将金属试样加到样品容器内，打开真空活塞将体系抽成真空，然后将装置 伸入高温炉的恒温箱中，倾斜炉体，使金属熔体流经已知容器和毛细管进入储 存容器。然后向相反方向倾斜炉体，使金属熔体重新流回已知体积y 的容器中， 通过炉子另一端石英窗观察，使液面略高于容器的上部刻线a 后，立即将炉子恢 复水平，此时金属熔体靠自身重力而流入毛细管，用秒表准确记录熔体液面流 经容器上下刻线动所需的时间t ，代入公式( 1 2 ) 艮口_ - i 求得被测金属液粘度值。但 是它操作繁琐，而且用秒表记录时间会带来主观性误差，大大降低测量精度， 不适合在线快速检测。 2 扭摆振动法对于低粘度液体的测定，广泛采用扭摆振动法，其原理基 于阻尼振动的对数衰减率a 与阻尼介质粘度的定量关系【1 6 l 【1 7 1 。阻尼振动的规律 为： ，f a = k e x p ( - a 刁c o s 2 万 -( 1 3 ) 百z 式中彳振幅( m ) ； k 常数； a 对数衰减率； r 振动周期( s ) ； t 时间( s ) 对某一确定的振动系统，振动周期z 与对数衰减率a 为一定值。可见，阻尼 振幅a 是随时间t 而衰减的，且成指数关系。而对数衰减率a 定义为： a ；些尘监 ( 1 4 ) m 、。 式中a 对数衰减率； 彳。刀时间内振幅( m ) ； 4 + 。厅+ m 时间内振幅( m ) 对于扭摆振动法来说，造成振幅衰减的主要原因是液体介质的粘滞性，故 一般可以认为对数衰减率a 是液体粘度和密度的函数。因此，通过测量振幅来计 算对数衰减率a 是扭摆振动法测量液体粘度的基础【1 8 】【1 9 1 。 常用方法是柱体扭摆振动法，如图1 2 所示。柱体插入被测液体中，用外力 给悬吊的系统以外力矩，当去掉外力矩后，柱体做阻尼衰减振动，其对数衰减 率a 与液体粘度的经验关系式可表示为： r = k a 3 ( 1 - 5 ) 图1 - 2 柱体扭摆振动法 f i g 1 - 2t h ec y l i n d r i c a lp e n d u l u mv i b r a t i o nm e t h o d 式中k 仪器常数( 须用已知粘度的液体进行标定) ； ，7 被测液体粘度值( p a s ) ； a 对数衰减率 通过实验测出扭摆振动的振幅变化及振动次数，用公式( 1 4 ) 计算出对数衰 减率a ，加之事先测定的仪器常数k ，便可以计算出被测液体在实验温度下的 粘度值。 该法的测量范围约为o 0 0 5 1 8 0 p a s 。它具有结构简单，使用方便的优点， 但由于吊丝本身的扭转变形量大，容易引起残留的塑性变形，可导致测量误差。 扭摆振动法测定液体粘度，振动周期对粘度测定影响很大 2 0 i ，若振动周期很 短，由于液体发生紊流流动，使衰减振动异常，即对数衰减率不为定值，而此 界限周期随装置和液体的不同而不同，应通过试验来确定。一般来讲，液体粘 度小时，容易产生紊流，故振动周期应该大一些【2 1 1 1 2 2 1 。 3 落球法落球法是常温下测定液体粘度常用的方法。当半径为厂的圆球在 静止液体中垂直下落时，小球受重力厂l 、浮力厂2 和阻力厂3 的作用，当 一厂2 = 厂3 时，小球将以速度作匀速运动，而阻力系数亭是雷诺数胎的函数。因此，在 层流域内的粘度计算公式为【2 3 1 1 2 4 1 ： r ；= 2 矿2 必 ( 1 6 ) y v o 式中，7 被测液体粘度值( p a s ) ； 哈尔滨理工大学r t 学硕十学位论文 g 重力加速度； ，小球半径( m ) ； 风见被测液体密度( 姆m 3 ) ； 小球下落的速度( 肌s 。) 公式( 1 6 ) 是小球在无限广阔的介质中进行沉降时导出的，而实际粘度计的 尺寸是有限的，在有限量介质中，必须考虑容器半径尺与高度h 的影响。此时， 常作如下修正。 睁2 f ( 茅p s - p l 丽) ( 1 - 7 ) 式中帛一容器半径( m ) ； h 搭：器高度( m ) 根据上式，只要知道容器半径r 、小球半径厂以及小球与液体的密度p s 、p 工， 便可由小球匀速下落的速度计算出液体在测定温度下的粘度值。可见，准确 测定小球匀速下落的速度的是至关重要的。对于非透明液体，必须采用特殊 的装置才能准确其速度，进而得其粘度值。 光电落球粘度计就是基于落球法的典型仪器【2 6 1 ，结构示意图如图1 3 所示， 甲光源 劢诌， 图1 - 3 光电落球粘度计示意图 f i g 1 - 3t h es k e t c hm a p o fp h o t o e l e c t r i c a lf a l l i n gb a l lv i s c o m e t e r 工作时，仪器通过磁电转换控制电磁铁自动释放小球，同时给出脉冲，自动启 动计时系统，小球沿中心轴线垂直下落，当小球挡住光源时，由光电传感器给 出信号，自动关闭计时系统。由于小球的下落长度固定不变，因此将测得的时 间t 代入式( 1 7 ) 中，即可求得被测液体粘度值。 哈尔滨理工大学t 学颐十学位论文 落球法一般适于测定粘度较大的液体或聚合体1 2 7 1 1 2 8 l ，小球下落能较客观地反 映大分子之间的相互作用状态，即可获得聚合物静态粘度值，这也是落球法能 有别于旋转法而成为浓溶液粘度测定方法的原因所在。 4 旋转柱体法旋转柱体法是适用范围最广的液体粘度测量方法，特别适 用于粗分散体系的粘度测旦【2 9 1 1 删，其原理是：在内外两柱体之间充以待测液体， 当外力使二柱体之一匀速转动，而另一柱体静止不动时，则在二柱体之问的径 向距离上的液体内部将出现速度梯度，于是在液体中产生了内摩擦。由于内摩 擦的作用，在旋转柱体上施加一个切应力，利用测量此切应力即可计算液体粘 度值。 不难看出，准确测定力矩m 和角速度的大小是旋转柱体法测量液体粘度 的关键技术。同时，用旋转柱体法进行粘度测定时，需注意以下两个条件【3 1 1 1 3 2 】： ( 1 ) 液体成分分布均匀且处于层流状态。测量时，要求液体对剪切应力所做 出的反应必须始终一致，而层流能防止层间成分的交换，所以从测量开始，液 体就必须保证成分均匀，并适当降低内外柱体间的相对转动速度。 ( 2 ) 无滑动。旋转法所测摩擦力矩应为液体内摩擦力造成的，要求液体与内 外柱体间无滑动摩擦，否则所测力矩为内摩擦力矩和滑动摩擦力矩之和。 美国b r o o k f i e l d 公司研制的圆盘式旋转粘度计得到了很广泛的应用【3 3 i ，其测 试原理图如图1 4 所示。同步电机以一定的角速度匀速旋转，电机连接刻度盘， 图1 _ 4 旋转圆盘式粘度计示意图 f i g 1 - 4t h es k e t c hm a po fr o t a t i n gd i s kv i s c o m e t e r 再通过游丝和转轴带动转子旋转。当转子未受到液体的粘滞阻力时，游丝指针 与刻度盘同速旋转，指针指向刻度盘上的零位置；当转子受到液体的粘滞阻力 后，则游丝产生扭矩，与液体的粘滞阻力相抗衡，最后达到平衡，此时与游丝 哈尔滨理t 大学t 学硕l - 学位论文 连接的指针在刻度盘上指示出游丝的扭转角。将此扭转角经过一定的数学运算， 即可求得液体的粘度值。该仪器配有多种型号的转子，而且电机的转速可调， 根据被测液体性质的不同，可选择不同型号的转子和不同的电机转速。其缺点 在于，该类仪器采用指针式读数，其稳定性及读数精度受到一定的限制。而且 当游丝产生的扭矩过大时，容易产生蠕变，损伤游丝，因此在测量范围和转子 转速上也有所限制。 1 2 2 常温液体表面张力快速检测 目前，测定常温液体表面张力的方法很多，按检测原理可分为动力学和静 力学方法两大类阻】。前者是通过检测决定某一过程的数值来计算表面张力，静力 学法则以测定某一状态下的某些特定的数值来计算表面张力【3 5 】p 6 1 【3 7 1 。由于动力学 方法本身比较复杂，很难实现高精度测试，加上以前的数据采集手段不够先进， 导致该测试方法应用的事例并不多。 静力学检测方法的特征是某一时刻采集信息参数用以计算表面张力。由于 静态取数，故可以达到较高的测试精度，检测难度也相对低一此【3 引。但其缺点在 于检测周期较长，很难用于快速检测。属静力学的检测方法很多，但通常具有 代表性的检测方法主要有静滴法、气泡最大压力法、毛细管上升法和拉筒法等 几种【3 9 l 【删。 1 静滴法静滴法根据水平垫片上自然形成的液滴形状计算表面张力。座于 水平垫片上，平衡状态下的液滴形状如图1 5 所示。根据物理学中的拉普拉斯方 程【4 l j ，便可计算出液体表面张力的值得大小。 图1 5 水平垫片上液滴形状 f i g 1 - 5t h ef i g u r eo ft h ed r o po nt h es h i m 显而易见，保持液滴的对称性和稳定性是液滴法准确测量表面张力的f ； 提。 为此必须严格控制垫片的水平位置和精选垫片的材质。此外，为保证液滴影像 的真实性，选择合适的镜头和排除光学上的干扰因素以及选用细粒乳胶底片也 哈尔滨理_ t 大 非常必要。 近年来，国内研制的表面张力仪- - s u r f t e n s 就是依据液滴法。该仪器由 远心的测量透镜和c c d 相机成液滴的像，图像采集卡将视频信号数字化并在计 算机显示器上进行实时显示。通过上位机图象处理软件，可以计算出接触角度， 从而求得表面张力值。芬兰k s v 公司研制的s i g m a 7 0 0 高级扩展型表面张力接 触角仪也是液滴法进行测量的【4 2 】。 2 毛细管上升法把一支毛细管插入液体中，液体就会沿毛细管上升。当毛 细管内外的液体达到平衡后，液体不再上升。依据毛细管内液体上升的高度， 可以计算出被测液体的表面张力，故称毛细管上升法。这是一种测定液体表面 张力的绝对方法，所用仪器简单，一般公认所得结果最准确，这是由于它不仅 有比较完整的理论，而且实验条件可以严格控制。应用此方法测定液体表面张 力，最重要的先决条件是要求固液界面接触角最好为零，管内径要洁净，这无 疑增加了测试的繁琐程度 4 3 1 。因此，利用此法测定表面张力的实例也不多。 3 拉筒法用一个水平放置的金属环与金属液接触，当其被提离金属液时， 由于液体表面张力的作用将受到一个向下的拉力，利用这个拉力及相关参数计 算表面张力的方法称为拉筒法，有时又称为脱坏法。水平放置的金属环从液面 上被拉起时，被测液体也被提起，液体对拉坏的作用力随之增大，在液体即将 脱离金属环的瞬间，拉力达到最大。不难理解，向上的总拉力减去拉环重量将 与被拉起的环形液柱重量相等，同时也与环内外的表面张力之和相等，即： ，一w = m g 一2 m 1 7 + 2 硝( r + 2 r ) 1 7 ，1 9 、 或 f w 仃= 一 锄僻+ 厂) ( 1 1 0 ) 式中仃液体表面张力( n m ) ； f 最大拉力( ； 形拉环重量( ； ，金属圆环内环半径( m ) ； 尺金属圆环外环半径( m ) 实际检测中，常常采用较粗的高熔点金属线制成半径较小的金属环，以免发 生变形。另外，可采用高精密数据采集系统测定拉环最大拉力，从而获得精密 的计算结果。应注意的问题是，被拉环所拉起的液环并非真正的圆柱形，按式 ( 1 1 0 ) 计算表面张力将有一定误差，因此要进行必要的校正，校正因子可通过一 定数量的实验获得。在传统拉脱法实验中，测量力的大小常用焦利秤、扭秤等， 哈尔滨理1 人学t 学硕f ：学位论文 但此装置一般精度较低，稳定性不高，大大影响了测的精度。 4 气泡最大压力法将毛细管垂直插入被测液体表层，向毛细管缓缓吹气， 将在毛细管端口形成气泡。随着气泡内压力不断增加，气泡将逐渐长大。当气 泡恰好为半球状时，其曲率半径最小，泡内压力达到最大值。此后气泡再度长 大，泡内压力降低，直至气泡脱离管口。只要测得气泡形成过程中的泡内最大 压力值，可以计算出液体表面张力，故称气泡最大压力法。气泡最大压力法的 优点在于装置简单、计算方便，但它要求严格控制毛细管入水深度和吹气泡速 度，给测试带来诸多不便。近年来，随着电子技术的同益普及，大多数表面张 力测定装置已采用微压差传感器测定泡内最大压力，采用位移自动控制装置测 量或控制毛细管入水深度。南京大学研制的表面张力测试实验装置m l ，就是基于 最大气泡压力法，并以单片机为核心代替实验中传统的u 形管水柱压力计，很大 程度上提高了测试精度；德国k r u s s 公司研制的b p 2 型气泡张力仪可记录样品湿 润和防湿润过程，仪器的操作和数据采集均由p c 机完成。 5 气泡幅频当量法以上几种方法都追求较高的准确度，所用设备相对复 杂，且操作烦琐。能否研究一种在保证较高测试速度的同时，又能有一定的测 试精度的检测方法呢? 哈尔滨理工大学铸造测控技术研究室在深入分析最大气? 泡压力法的基础上提出一种新的方法气泡幅频当量法1 4 5 1 ，该方法变静力学测 试为动力学测试，将原来一分钟吹一个气泡变为5 秒钟吹若干个气泡，变只记录 泡内最大绝对压力为同时记录气泡连续溢出过程中泡内的相对压差和气泡形成 个数。该方法用相对压力幅值p 和周期& 两参数经适当处理所形成的当量表征 液体表面张力的大小，该值只与被测液体本身性质有关，而与插入深度无关， 避免了最大压力气泡法对插入深度稳定性的苛刻要求。 1 2 3 常温液体密度快速检测 液体的密度也是常温液体蕈要的物理参数之一，在石油、冶金、化工等行业， 它也是一个经常检测的指标。 密度的测定方法很多，大致可归纳为四种。即，基于测定液体体积的方法( 膨 胀计法和静滴法) ，基于测定液体质量的方法( 比重法和阿基米德法) ，基于测定 液体& 力的方法( 压力计法和气泡最大压力法) 和基于超声波震动的密度检测方 法。其中通过测定液体质量的方法来检测密度是最直接、简单、准确的方法之 一【4 6 l f 4 7 i 。 基于液体质量来测试液体密度，比较有代表性的是北京某公司研制的 哈尔滨理_ t 大学工学硕七学位论文 r a y - r a n 密度秤。工作原理是样品首先在空气中称重，然后在液体中浸没 再次称重， 通过测量重量差计算出比重和密度，该仪器可测量多种液体的密度，其优点是 有温度补偿以确保测试结果更精确，有大的l c d 显示器，便于读数，可通过按 键执行操作，减少了人为误差。 体积法测试液体密度，由于测试精度不高，而且不便于现场快速分析，故应 用不多；气泡最大压力法测试液体密度，其原理是基于拉普拉斯方程，但测试 方法本身比较复杂，且受其它影响因素多。近年来超声波震动检测密度的方法 得到了广泛应用，北京北斗星工业化学研究所研制的d s l 7 4 1 就是基于超声波震 动原理设计的密度计。该密度计结构简单、可靠，适合于工业流程在线检测密 度。 1 3 课题主要研究内容 本课题主要目的在于研制一种常温液体粘度、密度、表面张力快速多功能 测试仪，具体内容如下： 1 常温液体粘度、密度、表面张力检测原理研究； 2 仪器机械结构及供气回路设计； 3 数据采集与处理单元硬件设计； 4 数据采集与处理单元软件设计； 5 仪器调试与实测试验。 哈尔滨理工大学t 学硕：仁学位论文 第2 章常温液体粘度一表面张力密度快速 检测基本原理 2 1 常温液体粘度检测的基本原理 测定液体粘度的方法有很多，考虑测试装置的需要，本文所采用旋转柱体 法外旋法，其基本原理如图2 - 1 所示，内外柱体之间充以待测液体，当直流 图2 1 旋转柱体法不意图 f i g 2 - 1t h es k e t c hm a p o fr o t a t i n gc y l i n d e rm e t h o d 电机使外圆柱体匀速转动，而另一柱体静止不动时，则在二柱体之间的径向距 离上的液体内部将出现速度梯度，于是在液体中产生了内摩擦。由于内摩擦的 作用，在内旋转柱体上施加一个切应力，利用测量此切应力即可计算液体粘度 值。若同轴内外筒的半径分别为r 和尺，内筒的浸没深度为h ，转动柱体的角速 度为t o ，同时假设流体为层流流动，液体与柱体接触面间无滑动，则通过液体 的内摩擦作用在静止柱体面的转动力矩为： m 。0 坐( 2 1 ) f 三一三 、。 l ，2 r 2j 即，粘度，7 为： 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 俨4 a 川h ( o 【p 1 一古1 ( 2驴。 一f j 毕 式中，7 被测液体的粘度值( p a s ) m - 丑矩( n m ) ； h 浸没深度( m ) ； 缈一 柱体的旋转角速度( r s ) ； ，内柱体的半径( m ) ； 尺外柱体的半径( m ) 由此可见，若能测定力矩肘，浸没深度h ，角速度，内外柱体的半径厂 尺，便可计算出被测液体的粘度值r 。不难看出，准确测定力矩m 和角速度c o 的大小是旋转柱体法测量液体粘度的关键技术。而直流电机的角速度可令其 恒定不变，故只需准确测定内圆柱体的扭矩m ，便可计算出被测液体的粘度值 r o 2 2 常温液体表面张力检测的基本原理 最大气泡压力法是最为常用的液体表面张力测定方法，早在1 8 5 1 年就己被 提出，并获得广泛应用，它不仅用于常温液体表面张力的测量，而且用于许多 金属及合金的表面张力测量。该方法的计算公式为， 仃，! ：囔二堡堡1 2 ( 2 3 ) 式中o r 歆测液体表面张力( n m ) ； ，毛细管端口半径( m ) ； 只气泡最大压力( p a ) ； h ，毛细管插入液体深度( m ) ； p 被测液体密度( k g m 3 ) ； g 重力加速度 为了获得满意的测试精度，最大气泡压力法至少要求稳定的毛细管插入深 度h ，和缓慢的吹气速度( 约每分钟吹一个气泡) ，否则无法准确测得最大压力己 值，当然也就无法计算准确的表面张力值( j r 。 本文采用哈尔滨理工大学科研工作者于1 9 9 5 年提出的一种测定液体表面张 力的新方法气泡幅频当量法【铝i 。如图2 2 所示，利用一个恒压气源，在限定 时间内通过一个标准毛细管向被测液体吹气，监测气泡不断形成、长大和破灭 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 图2 - 2 气泡幅频当量法原理图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fa m p l i t u d ea n df r e q u e n c ye q u i v a l e n to ff a s tb l o w i n gb u b b l e s 的过程，可获得一条等幅振荡曲线。图中、分别对应未吹气、气 泡吹出之前、气泡曲率半径最小和气泡即将脱离管口的四种状念。曲线振幅和 频率分别代表气泡内压差变化幅值和气泡形成速度，并且气泡内压差变化幅值 和气泡形成速度与液体表面张力密切相关。因此，可以根据曲线振幅和频率求 解一个与真实表面张力相当的数值，称之为当量表面张力。 采用气泡幅频当量法计算当量表面张力的公式可写成如下形式， 吼= a n + 6 p + c ( 丸一九) + d( 2 - 4 ) 式中瓯液体当量表面张力( n m ) ； 卸气泡内压差变化幅值( 数字量) ； 限定时间内吹出气泡的个数( 数字量) ； 。实际测量用毛细管内径( m ) ； 九标准毛细管内径( m ) ； a 、b 、c 、d 经试验确定的系数和常数 2 3 常温液体密度检测的基本原理 基于测定液体质量来检测液体密度的方法，即静力称衡法，是一种最为直 接的密度测定方法，其原理即是根据密度的原始定义而得出，是经典的测试方法 之一。显而易见，当被测液体的质量和体积已知后，被测液体的密度便可以根 据式( 2 5 ) 求出： 哈尔滨理工大学1 = 学硕十学位论文 朋 p2 i ( 2 - 5 ) 式中p 被测液体密度( g c m 3 ) ； m 疫测液体质量( g ) ； y 被测液体体积( c m 3 ) 选择静力称衡法测定液体的密度，不仅因为该方法原理简单，更大程度上 是因为与气泡幅频当量法测定表面张力和旋转柱体法测定粘度相配合，可以实 现仪器结构的优化设计。 2 4 本章小结 本章主要介绍了常温液体粘度、表面张力和密度的检测原理，分别采用外 旋转柱体法检测被测液体的粘度；气泡幅频当量法检测被测液体的表面张力； 静力称衡法检测被测液体的密度。 1 继电器2 直流电机3 称重传感器4 旋转套筒5 多功能探头6 - 升降机构 7 l e d 显示& 打印机9 键盘1 0 浮子流量计1 1 气泵1 2 电源及单片机系统 图3 1 测试装置结构示意图 f i g 3 - 1t h es k e t c hm a p o ft e s t i n ge q u i p m e n ts t r u c t u r e 要由多功能探头、粘度测试单元、称重单元、单片机系统和供气单元组成。多 功能探头和粘度测试单元配合，在8 0 c 1 9 6 k c 单片机的控制下，可快速完成常 温液体粘度、表面张力、 需的气源。 通过对键盘不同功能键的选择操作，测试装置可分别完成液体粘度和温度、 表面张力和温度、密度和温度的单参数测量，也可完成液体粘度、表面张力、 密度和温度的多参数同时测