（模式识别与智能系统专业论文）基于labview的粘度仪的研究与设计.pdf

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频器由多级计数器完成，采用c d 4 5 l8 获得标准信号。 其次，以l a b v i e w 为软件开发工具，对这种图形化编程语言进行了较 为详细的论述，说明了这种工具开发图形界面及编程的优点，并结合实际 课题对其可行性和实用性进行了充分的论证。本文还详细阐述了l a b v i e w 与其它语言的接口技术( 包含m a t l a b 、c 语言等等) ，介绍了使用c i n 的几种方式。并给出了本软件系统应用c i n 的一种具体方式，指出了调试 过程中须特别注意的事项。 第l 页 山东大学硕士学位论文 再次，对本套粘度测试系统进行了实验验证，其测量精度高，测量范 围广，可靠性重复性好。可实现工业环境下的实时、全自动在线检测，最 大限度地满足了生产的需求，具有广泛的应用前景。 最后，对于所做的硬件电路设计工作和所涉及的软件开发进行了总结， 指出了其存在的不足并提出了展望。 关键词：粘度仪，l a b v i e w 语言，波形合成，c i n 节点 第2 页 山东大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no fv i s c o m e t e rb y l a b v i e w a b s l r a c i v i s c o s i t y ，a ni m p o r tp a r a m e t e ro fi n d i c a t i n gf l u i d sp r o p e r t y ，i so fp h y s i c a lo f f l u i dw h i c hc a nr e f l e c tt h e p r o p e r t i e s o fd i f f e r e n tf l u i d s t h u s v i s c o s i t y m e a s u r m e n th a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt oa g r e a tn u m b e ro fm a n u f a c t u r i n gf i e l d s o fs o c i e t y ，f o re x a m p l e ，s o m er e l e v a n tk n o w l e d g ea n dd a t aa r eu s e di n m a n y e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lm o d e r n i z a t i o n a n dt h ea d v a n c eo fs c i e n t i f i c t e c h n o l o g y ，m o r ei m p o r t a n c e i sa t t a c h e dt o v i s c o s i t ym e a s u r e m e n ti nr e l a t e df i e l d s ，w h i c hc o n t r i b u t e st ot h ee m e r g e n c eo f n e w l y d e v e l o p e da p p r o a c h e sa n dt e c h n o l o g i e so fm e a s u r e m e n t a tp r e s e n tt h e d e v e l o p m e n to fv i s c o s i t y m e a s u r e m e n ti so r i e n t a t e dt o w a r d sb e i n gh i 曲l y p r e c i s e ，a u t o m a t i ca n da l la l o n go n l i n ed u et ut h ei n e f f i c i e n c yo fi n s t r u m e n t s a n dt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e so na ni m p o r t e dh i g h p r e c i s i o n ，h i g h - t e m p e r a t u r e m e l t i n gv i s c o s i t ym e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t r o t a r yv i b r a t i n gh i g h t e m p e r a t u r e m e l t i n gv i s c o m e t e r t h e nas t u d yi sm a d eo ft h er a t i o n a l ea n di n s t r u m e n to f v i s c o s i t ym e a s u r e m e n t m o r e o v e r ，i t sc o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dw i t ht h ee l e c t r i cc i r c u i to f w a v ys y n t h e s i s a n dt i m em e a s u r e m e n tt ot h eh a r d w a r ea n dan e w t y p eo fg r a p h i cp r o g r a m m i n g l a n g u a g el a b v i e w t ot h ed e s i g n i n go ft h es o f t w a r e t h e f o l l o w i n g i sw h a tt h e t h e s i sm a i n l yc o v e r s ： i n p a r to n e ，a na n a l y s i s i sf i r s tm a d eo faf e wn o r m a l l yu s e d v i s c i s i t y m e a s u r e m e n tm e t h o d s ，a n dt h e i r r e s p e c t i v es t r e n g t h s a n dw e a k n e s s e sa r e p o i n t e do u t t h e ni m p r o v e m e n t so nt h ev i b r a t i n gm e t h o de m p l o y e db yt h e v i s c o m e t e ra r ec a r r i e do u t f u r t h e r m o r et h ea u t h o rc o n d u c t sad e t a i l e da n a l y s i s a b o u ti t si n t e r n a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n g r a t i o n a l e ，p o i n t so u ti t sd r a w b a c k s ，a n d p r e s e n t s t h ec o n t r o l c o m p o n e n t s i nn e e do fd e s i g n i n ga n dt h e c o n c r e t e d e s i g n i n gs c h e m e ad e t a i l e df o r m u l a t i o ni sg i v e n t ot h ep u l s es y n t h e s i so ft h e 第3 页 山东大学硕士学位论文 c o n t r o ls y s t e mw i t ha no v e r a l ld e s i g no ft h em e a s u r e m e n t c i r c u i t so fa aa b o ft i m e p e r i o d i nf o r m u l ac a l c u l a t i o n s t h e f r e q u e n c y d i v i d i n gm a c h i n ei s a d d r e s s e db ym u l t i l e v e l c o u n t i n gm a c h i n e ，w h i c hg e t si t ss t a n d a r ds i g n a lb y a d o p t i n gc d 4 5 18 p a r tt w oe l a b o r a t e so nt h e g r a p h i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v i e wu s e d a st h es o f t w a r e d e v e l o p i n gt o o l ，a n ds h o w si t s s t r i n gp o i n t s i n d e v e l o p i n g g r a p h i c i n t e r f a c ea n dp r o g r a m m i n g t h e ni t s f e a s i b i l i t y a n dp r a c t i c a l i t yi n t e r m so ft h er e s e a r c hp r o g r a m m ei s f u l l yt e s t i f i e d t h et h e s i sa l s oe l a b o r a t e so n t h ei n t e r f a c e t e c h n o l o g y o ft h ec o m b i n a t i o no fl a b v i e ww i t h o t h e r l a n g u a g e s ，w h i c h i n c l u d e s m a t l a b ，c l a n g u a g e e t c af e w p a t t e r n s o f e m p l o y i n g c i na r ei n t r o d u c e d ，o fw h i c ha p a t t e r ni ss i n g l e do u ti nt e r m so f t h i s s o f t w a r es y s t e m ，a n ds p e c i a lc a u t i o n sa r eg i v e ni nt h ep r o c e s so f d e b u g p a r tt h r e ed e a l sw i t ht h e e x p e r i m e n t a l t e s t i f i c a t i o no ft h e v i s c o s i t y m e a s u r e m e n t s y s t e m w i t ht h er e s u l to f h i g hp r e c i s i o n ，w i d er a n g e ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dg o o dd u p l i c a b i l i t y t h u st h es y s t e mc a nm e e ta sm u c hd e m a n d o f p r o d u c t i o na sp o s s i b l ea n dh a v e ap r o m i s i n gf u t u r eb yo p e r a t i n ga l lt h et i m e a n do n l i n et e s t i n ga u t o m a t i c a l l y t h el a s t p a r ts u m m a r i z e st h ed e s i g n i n go fh a r d w a r ec i r c u i t a n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n ti n v o l v e d ，p o i n t so u tt h ew e a kp o i n t st h e r ea r e ，a n dp r o s p e c t sf o r t h ef u t u r e k e yw o r d s ：v i s c o m e t e r ，l a b v i e w , w a v ys y n t h e s i s ，c i n n o d e 第4 页 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 液态作为物质存在形态之一，相对于气态和固态，人们对它的认识还 远远不够。粘度是液态物体( 流体) 的重要物理特性。粘度及其测量在国 民经济的许多领域有着较广泛应用，有许多工程技术需要关于液体粘度的 知识和数据，例如在制药工业中，测量液体粘度( 动力粘度) ，可以区别或 检查某些药品的纯杂程度；在油漆行业中，油漆流动性能适度，不但刷时 省力，还可以使油漆光滑明亮，厚薄均匀：在墨水工业中，其质量的优劣 程度与粘度有着极其重要的关系；在现代钻井采油作业中，向含油地层注 入驱油物质以提高开采率，只有当驱油聚合物的粘度接近且略高于被开采 的石油粘度时，才能够达到最佳驱油效果；在人造纤维行业中，拉丝原料 的粘度直接影响到产品质量和生产效率：在医学上，根据血液的粘度，可 测血液流变学的五个重要指标：全血表观粘度、血浆粘度、红细胞刚性指 数和屈服应力，合理的血液粘性，是保证血液执行正常生理功能的必要条 件之一。在物理化学、流体力学、冶金学等科学领域中，粘度测量对流体 性质及流动状态的研究起着重要的作用。总之，粘度测量是控制生产流程、 实现安全生产、提高产品质量、节约与开发能源的重要手段。 测定液体粘度的方法和设备将直接决定生产耗费。粘度数据能否及时 获得或有些误差，都有可能影响企业的利益或研究成败。而能否正确选择 测定方法和设备要取决于许多因素，其中最主要的是对于粘度测量理论和 设备的构造原理及使用方法的了解程度。这些年来随着我国经济改革的深 入及科学技术的进步，相关领域里粘度计量测试及质量控制越来越得到重 视，粘度测量方法与测量技术也有不少新发展。 1 2 立题依据及研究意义 回转振动式高温熔体粘度仪是按照液体回转振动的衰减程度来测试 粘度参数的实验仪器，是石油、化工、交通、国防、轻工、建材、煤炭、 第5 页 山东大学硕士学位论文 冶金等领域中进行科学研究的重要科研仪器。在过去的几十年，人们对液 态金属的性质和结构进行了大量的研究。在实验研究的同时，也进行模拟 研究。对高温熔体的结构和行为进行数值模拟，也依赖于较宽温度范围内 熔体物理性质的实验数据。高温熔体的粘度是液态金属基本的物理性质， 是结构敏感量，能够反映熔体结构变化的信息。回转振动式高温熔体粘度 仪主要用来测量液态金属的粘度。 目前这种进口设备只有一套，在我校液态材料实验室中，承担着校内 外许多重大科研项目的实验工作，是该实验室的重要设备之一。该粘度仪 是从日本引进的，是由日本东京株式会社制造，由于使用了许多分立元件 和小规模集成电路，经过几年来的频繁使用，其可靠性和稳定性变的很差， 已远不能适合当前繁重科研任务的要求。因此，对该仪器部分电路进行研 究和设计，提高其可靠性和稳定性、降低其实验使用成本，是很迫切，也 是非常有现实意义和研究价值的。 1 3 课题的主要工作 对粘度仪的设计硬件部分包括：设计两路脉冲合成为一路脉冲，由频 率计读出时间周期再经i o 卡送往计算机。除硬件部分需重新设计外，所 有控制软件也要重新编制。原软件使用的是d o s 操作系统，操作非常复杂， 而且可视化程度不高。新的软件使用环境选定在可视化的w i n d o w s 操作系 统下实现，程序用l a b v i e w 编制，这样做出来的人机界面不但非常友好， 操作方便，而且美观。具体软件部分设计主要包括：由软件来控制电动机 转动，参数输入及保存，数据的读入显示和保存，数据处理和计算等等。 第6 页 山东大学硕士学位论文 第二章粘度及其测量 2 1 粘度基本知识1 】【2 】( 3 】 2 1 1 流体的粘度 流体根据粘度随剪切率的变化可分为两大类，一类是牛顿流体，如水、 酒精、各种润滑油、汽油等，其粘度值在任意剪切率下为定值，对于牛顿 流体，只要测量某一剪切率下流体的粘度，就已知其特性；另一类是非牛 顿流体，如塑料、油漆及其它粘度较高的流体，其粘度，也称为表观粘度， 随剪切率而变化，对于这种流体，粘度测量是检测一定剪切率区间下的表 观粘度值。本台回转振动式高温熔体粘度仪是用来测量牛顿流体的粘度。 一、( 动力) 粘度的概念 流体的流动是在重力或外力作用下的连续变形过程。当流体在管道中 流动时，管中心轴处的流速最快，越近管臂流速越慢，如图2 1 。在河里 流动的水，于河中央水面处流速最快，越近河床及河岸流速越慢。当物体 在静止的液体中旋转时，周围的液体也跟着旋转如图2 - 2 。一旦物体停止 转动，旋转的液体也会慢慢静止下来。又如，将一外筒用细丝吊挂在空气 中，使与其同轴但互不接触的内筒旋转时，外筒也会发生偏转如图2 3 。 这些都说明流体流动时内部各部分的速度是不相同的。流层闯存在着速度 差，而且流体的运动在逐层传递。 一一臣 图2 - 1 流体流动时流层间存在着速度差和运动的传递是由于流体具有粘性。 这也是流体与固体的最重要区别。固体运动时各质点的速度相同，也没有 运动的传递。当相邻流层存在着速度差时，快速流层力图加快慢速流层， 第7 页 山东大学硕士学位论文 而慢速流层力图减慢快速流层，这种相互作用随层间速度的增加而加剧， 流体所具有的这种特性就是粘性，流层间的这种( 力图减小速度差的) 作 用力称为内摩擦力或粘性力。 席 心臣缪 1 、 f i ： j 图2 - 2图2 - 3 流体的粘性实质上是流体分子微观作用的宏观表现。可以从分子运动 来解释。 气体具有粘性是由于动量传递。气体分子间的距离大，可当气体流动 时，其分子除了朝力的方向运动外，分子的无规则运动也较剧烈。当处于 快层的分子( 它们具有较大的动量) 由于热运动而迁移到慢层时，就把比 较大的动量传给具有较小动量的慢层分子而将其加速，当慢层的分子迁移 到快层时，则将使快层分子的动量减小而减速。 液体具有粘性是由于分子引力所致。液体分子间的引力比气体小的多， 分子的热运动远不如气体剧烈，几乎没有动量传递，但分子间的引力则远 比气体大。当液体流动时，由于分子引力，快层的分子力图拉着慢层的分 子前进，而慢层的分子则尽量将快层分子往后拽。 流体分子间的这些相互作用使得运动得以逐层传递，并保持着层间的 第8 页 山东大学硕士学位论文 速度差，即呈现流体的粘性。 粘度是粘性的程度，也称动力粘度、粘( 滞) 性系数、内摩擦系数。 不同物质粘度不同，见表1 1 。粘度还与温度、压力等因素有关。 表1 1不同物质的粘度 物质温度o c粘度l m p a s 液氢气 一2 5 30 0 0 l 空气 2 00 o l8 二氧化碳 3 0o 0 5 汽油 2 0o 6 5 水2 0 l 水银 2 015 橄榄油2 0l o o 蓖麻油 2 01 0 0 0 二、( 动力) 粘度的定义及单位 1 定义 定性地说，( 动力) 粘度是流体对形变的抵抗随形变速率的增加而增加 的性质。 定量地说，( 动力) 粘度是稳定流中的剪切应力与剪切速率之比值。即： t l = t y 2 单位 以国际单位制( s i ) 表示的( 动力) 粘度单位为p a s ，中文符号为帕 秒，中文名称为帕斯卡秒。常用其分数单位d p a s ( 分帕秒) 及m p a s ( 毫帕秒) 。 三、运动粘度 1 定义 运动粘度是动力粘度与同温度下的密度之比值。又称比密粘度。用 符号u 表示，即： ， 第9 页 山东大学硕士学位论文 u = r l p 运动粘度这个量在实际应用及测量方面有许多方便之处。例如在许多 流体力学计算( 如雷诺数的计算) 中，用d 比用玎更方便：许多条件粘度 与运动粘度之间比较容易建立经验换算公式一数值方程：利用重力型玻璃 毛细管粘度计可以很方便地测得运动粘度。 运动粘度是在重力作用下的流动阻力的度量。 2 单位 以国际单位制( s t ) 表示的运动粘度的单位为m2 s ，中文符号为米2 秒，中文名称为二次方米每秒，常用其分数单位厘米2 秒及毫米2 秒。 2 1 2 牛顿粘性定律 牛顿粘性定律给出了粘度与内摩擦力的定量关系。假设液体流动时， 其切应力与剪切应变速度成正比，对于简单的剪切流动可以表示为： 西 7 2 打d z 式中：玎为流体的动力学粘度( d y n a m i cv i s c o s i t y ) ，也就是剪切粘度。 它在一定的温度和压力下是常数。f 表示作用在平行于液体流动方向单位 面积的力，宰表示沿垂直于液体流动方向的速度梯度。 韶 2 1 3 粘度的半经验方程一a n dr a d e 方程 a n d r a d e 指出熔点时，固体和液体的比热很接近，说明熔点时固态原子 和液态原子的振动模式相似。液态的原子可以看作是围绕平衡位置在任意 方向的振动，液态原子的振动频率v 。与固态原子的振动频率v s 相等。假 设相邻两液体层之间的原子通过相互碰撞，发生动量的转变。液体的粘度可 表示为： = 4 _ mv ，口是原子的平均间距，m 原子的克分子量。 j 口 a n d r a d e 又提出，粘度随温度的变化表示如下： 第1 0 页 山东大学硕士学位论文 r v “3 = a e x p l li l v 7 。 v 表示原子的比容。此方程已被许多实验证明是精确的，但是目前仍 然没有成功的理论解释这一结论。 2 1 4 粘度与温度的关系 粘度与温度的关系非常密切，在常温常压下，当温度变化l 。c 时，液 体的粘度变化达百分之几至十几。气体约为千分之几。 粘度与温度并不成线性关系，它与温度范围有关。温度越低粘温关系 越密切，如图2 4 。此外，气体与液体的粘度随温度的变化规律完全相反。 气体的粘度随温度升高而增大，液体则反之。因为气体的粘性是由于动量 传递所致，当温度升高时，分子的热运动加剧，动量增加，流层间的内摩 擦加剧，所以粘度增大。而液体的粘性来自分子引力，温度升高，分子问 的距离加大，分子引力减小，内摩擦减弱，所以粘度减小。 图2 - 4 粘度随温度变化的程度还与许多因素有关，例如物质的化学组成、粘 流活化能、粘度大小等。例如通常液体的粘度越大，液体的粘度随温度的 变化越大。 第1 1 页 nj 山东大学硕士学位论文 - - - _ _ _ i _ - l _ - i _ _ _ l _ _ _ _ - _ l _ i _ - 1 气体的粘温关系 气体粘度大体上与绝对温度的平方成正比地增加。 2 液体的粘温关系 通用式一安德雷德( a n d r a d e ) 式 瑁= a e 寿 式中：a 一实验常数，在不同温度下实验求得； k 一气体常数( 8 3 1 4 j k 。) ： t 一绝对温度； e 一粘流活化能，表示分子由一个位置迁移到另一位置所需的能量，与分子 结构、分子链的长短及温度有关。 如果不知道上式中的常数k 及粘流活化能e ，可以从两个已知温度下的粘 度，求第三个温度下的粘度。 2 2 粘度的测量方法 粘度测量的方法很多，常用的粘度测量方法有： 毛细管法( c a p i l l a r ym e t h o d ) ： 振荡容器法( o s i l l a t i n g v e s s e lm e t h o d ) ： 旋转法( r o t a t i o nm e t h o d ) ： 振荡片法( o s i l l a t in g p l a t em e t h o d ) ： 粘度杯法( v i s c o s i t y - c u pm e t h o d ) ： 2 2 1 毛细管法 毛细管法的粘度绝对测量需逐项测量公式( 2 - 1 ) 中各物理量才能获得 粘度的方法。对于绝对测量，要求毛细管的加工极其精确，并需对毛细管 的尺寸、流量、压力进行准确的测量，还要用实验方法获得动能修正系数m 及末端修正系数m 。绝对测量方法既复杂又烦琐，而且难以得到准确的测 量结果，通常都不采用，只是作为粘度起始标准的纯水粘度测量等特殊情 况下才用这种方法。 第1 2 页 山东大学硕士学位论文 ，7 ：竺垫一型兰( 2 1 ) 。8 v ( l + n r ) 8 x ( l + n r ) t 毛细管法的粘度相对测量是与已知粘度的标准液进行比较测量获得粘 度的方法。 2 2 2 振荡容器法 振荡容器法是测量高温熔体( 如液态金属) 粘度最常用的方法。将熔 体装入容器被一扭丝悬挂，当系统受到一触发力时，由于扭丝的内耗和熔 体对容器内壁的摩擦，系统将作周期性的衰减运动。通过记录衰减运动的 周期和衰减常数，可以计算熔体的粘度。 该方法的优点在于设备简单，而且测量时间周期和衰减常数比较精确。 通过改变容器的尺寸可以使样品所处温度不均匀的长度减少。但主要的问 题是由于用数学方法解系统的运动方程比较困难，没有准确的计算粘度的 公式。目前有几种近似的经验公式。 ( 1 ) k n a p p w o s t 方程 6 t = k ( p 功2 ( 2 - 2 ) k 为仪器常数，6 为系统最大振幅的对数衰减量，丁为容器装满样品时系 统的振动周期，p 熔体样品的密度。k n a p p w o s t 方程适用于容器的高度与 半径之比较小的振荡容器。 ( 2 ) r o s c o e 方程 叩= ( 箍 2 去 。， z 与容器的尺寸有关，为系统转动惯量，h 容器的高度，r 为容器的 半径。r o s c o e 方程计算的粘度值比较精确，但是由公式可以看出，计算比 较复杂。 用振荡容器法测量熔体的粘度，由于计算公式的不同，不同实验者测 量的粘度值偏差高达3 0 5 0 。 2 2 3 旋转法 当流体与浸于其中的物体( 如圆筒、圆锥、圆板、球及其它形状的刚 第1 3 页 山东大学硕士学位论文 性体二者之一或二者都作旋转运动时，物体将受到流体粘性力矩的作用而 改变原来的转速或转矩。旋转法的原理是通过测量流体作用于物体的粘性 力矩或物体的转速来确定流体的粘度。流体通常是处于物体与容器的间隙 中。根据物体与容器的几何形状，旋转粘度计可分为同轴筒式、单圆筒式、 锥一板式旋转粘度计等。 同轴圆筒式粘度计是常用的旋转粘度计。由两个同轴的圆筒组成，其 中内筒用扭丝悬挂，在两筒之间装入液态样品。通常外筒以固定角速度作 正弦波转动，由于液体的粘滞阻力，使内筒有一偏转，这样悬挂内简的扭 丝将产生一回复力矩。当扭转系统达到平衡时，通过测量内筒的角位移， 可以计算样品的粘度。 旋转法系统的数学分析比较简单，但是进行高温实验比较困难。对于 低粘度的熔体，内外筒的间隙必须很小，而且尽量保持同轴。 2 2 4 振动片法 图2 - 5 振动片法测量粘度的示意图 如图2 - 5 所示，以一固定的力拉一平滑的薄片在液体中上下振动，薄 片在振动过程中受液体粘滞阻力的作用，这样，薄片振动振幅的大小与液 体的粘度有关。通过分别测量薄片在真空( 或空气) 中和在液态样品中的 振幅，根据下面的公式可以计算液体的粘度。 阡懿( 等。) 2 c z 一们 耻筹 沿s ， 其中l 和厂为薄片在空气和液体中的谐振频率，玩和昱为薄片在空气 第1 4 页 山东大学硕士学位论文 和液体中的振幅。筑为仪器常数，月。是液体的动力学阻力成分，4 是薄 片的面积。 此方法的优点在于可以连续或间断地测量粘度范围较大的液体。但是， 不适应于测量粘度较低的液态金属，由于薄片在低粘度的液体中的振荡频 率较快，与在空气中的振荡频率比值很小，这样测量的误差将增大。 2 2 5 粘度杯法 粘度杯是一类比较特别的粘度计，其主体是一个杯子，杯子底部中央 有一个小圆孔或一段小短管，有的杯子下面有专用接受瓶。试验时将试液 装入杯中至一定高度或装满，测量杯中试液流完或流出一定体积( 决定于 接受瓶) 所需时间。直接用试液的流动时间s 或试液的流动时间与同体积 粘度标准液的流动时间之比表示粘度。用粘度杯测得的量不是绝对粘度， 只是时间或时间比。它们与动力粘度或运动粘度之间没有理论关系，只与 运动粘度之间用经验公式( 数值方程) 换算。 粘度杯结构简单，操作方便，但测量精度不高，它们主要用于工厂、 现场及化验室作粗略的粘度分析。粘度杯的种类不少，不同国家不同行业 有其惯用的粘度杯。 第1 5 页 山东大学硕士学位论文 第三章粘度仪的基本原理及仪器构造 第二章介绍的粘度的测量方法中常用的方法一振荡容器法，由于此方 法计算公式复杂，不同的实验者获得粘度数值可以相差很多。因此用一种 比较简单的而且精确的方法一回转振动式测量液体的粘度。 3 1 粘度仪构成 本套测粘度参数的粘度仪是：回转振动式一一高温熔体粘度仪。本装 置是由日本东京株式会社制造，国内唯一一台进口的高精度的高温熔体粘 性测试设备。通过对试样容器中的液体进行回转振动，测试回转的对数衰 减率，根据对数率减率与粘度的关系，从而求的粘度数据。图3 1 是回转 振动式粘度仪结构示意图。 镜早 真 图3 1 回转振动式粘度仪结构示意图 基本组成： 激光发生器：用于开始产生一束平行光发射到镜子上。 步进电动机：用于开始给悬丝一个力矩，带动镜子在坩埚中转动。 坩埚：盛放待测样品 加热设备：把一些材料熔化成液体。 转换板：用于把a ，b 两路脉冲转换成一路脉冲送到频率计a 第1 6 页 山东大学硕士学位论文 频率计：把时间周期转换成b c d 码送入计算机。 a 、b 传感器：用于将光信号变成电信号。 其中一些重要部件的具体工作原理会在后续章节中详细讨论。 性能指标： 粘度测试范围：0 1 c p - 1 0 c p 温度范围：室温15 0 0o c 测量精度： 3 0 重复率： 5 0 测定方法：非接触激光反射式 输出信号：试样温度，回转振动周期，实验条件参数 信号处理：计算机处理及结果输出 设备特点及应用范围： 测定对象：液态金属，熔盐，半导体材料熔体，水溶液及低粘度油 类等低粘度液态材料的粘度测试。 试验用料少：2 0 c c 3 0 0 c c 试验气氛：可在真空，大气，氮氩等惰性气体保护试验条件下对样品 进行测试。 测试温度范围宽，测试精度高。 3 2 粘度测量原理 回转振动式高温熔体粘度仪是借用激光发生器产生一束平行光照在镜 子上，有镜子反射回到a 、b 传感器上。镜子的上面有一根金属悬丝与步 进电动机联系，镜子的下面也有一根丝装物体吊在坩埚里。坩埚里面盛着 待测样品。电动机给悬丝一个力矩，它带动镜子在坩埚中转动。由于受液 体材料( 一层层) 粘力的影响，其振幅将因粘性力的作用而衰减即摆幅越 来越小，见图3 2 。 第1 7 页 山东大学硕士学位论文 b a 八八 一 | v v 图3 2 平行光照在镜子上，经镜子反射回到传感器上，过a 传感器产生一个 脉冲信号。经过b 传感器也产生一个脉冲信号，这样我们可以得到时间周 期。通过测量衰减周期，据公式( 3 - 1 ，3 - 2 ) 可推算出摩擦力，进而得到 实验品的粘度参数。 占：喾”+ ( f 珈一f ，) 7 ( 式3 - 1 ) k 2 ( 占一二j o ) 2 y = 1 卫i 一 ( 式3 - 2 ) 筇t o t m r ) 式中y 为动力粘度，k 为惯性量，m 为容器重量。r 为容器半径，t 为时间周期。j 为实测时振幅的对数衰减率，氏为空测时振幅的对数衰减 率。f 为实测时的平均周期，如为空测时的平均周期。 3 3 激光发生器町 在粘度仪开始测量以前，需要激光发生器产生一束光束照在镜子上 再由镜子反射回到a 、b 传感器上。下面简单介绍一下激光发生器。 第l8 页 山东大学硕士学位论文 _ _ _ - _ _ _ - - l _ _ _ _ - _ _ - _ - - - - _ _ _ _ _ - _ _ 一m l _ - _ _ - _ _ - _ 一 一、激光的概念 激光实质是光的受激放大，简称为激光。它具有四大特征：( 1 ) 强烈的 光亮度；( 2 ) 很窄的单色光波；( 3 ) 在同一辐射源不同时间发出的光束之 间具有互相干涉的特性；( 4 ) 通过反射镜射出的激光束是单方向的。关于 激光的概念，早在1 9 世纪随着b o h r 理论的出现已经建立起来。 二、激光器的基本结构和激光的特性 激光器的基本结构如图3 3 所示 口与幕磊磊二l 廿输出激光 全反射镜半反射镜 图3 3 激光器的基本结构 当电源通过氙灯放电时，氙灯发出的光使工作物质受到激励而产生集 居数反转。在外来光子作用下产生受激辐射。光在全反射镜( 后腔镜) 反 射回来通过工作物质放大一些，经半反射镜( 输出镜) 部分透射、部分反 射，反射部分经工作物质再次放大，再射到全反射镜上。这样循环往复， 不断通过工作物质，不断放大，不断反馈振荡，一面消耗反转的集居数， 一一面从输出镜输出一定比例的激光，直到工作物质的反转集居数消耗完为 止。 从上述激光器的结构和激光产生的过程可以看出，激光垂直入射腔镜， 通过工作物质的轴线方向，然后沿垂直于输出腔镜的方向输出。所以激光 具有四种特性：单色性、方向性、相干性、高强度。单色性是由产生激光 的受辐射跃迁及腔镜的窄带反射决定，方向性由腔内多次反射，只有沿轴 线传播的光能够多次往返放大输出，其方向垂直于输出镜面。时间相干性 与单色性直接相关，单色性越好，相干时间越长。方向性和空间相干性直 接关联，发散角越小，方向性越好，越接近于完全空间相干光。高强度主 山东大学硕士学位论文 要是指高相干光强、高光子简并度。所以，可以说激光的特性就是相干性： 高时间相干性( 单色性好) ，高空间相干性( 方向性好) ，高相干强度。 就本性而言，激光与灯光、阳光等普通光波并没有差别。它们都有相 同的传播速度，相同的电磁本性。但是就光的产生机理与产生方式而言， 两者迥然不同。激光是受激发射占优势的辐射，普通光则是自发发射占优 势的辐射。绝大多数激光器都有光学谐振腔，而普通光源没有，这是两者 在结构上的显著差别。正因如此，激光才有着普通光波所不具备的特点， 同时也是普通光波所无法与之比美的优点。激光的所有相干性质主要都来 自谐振腔。 选用激光，主要是利用激光的方向性。激光的方向性极好，即激光器 发射出来的光能流在空间方向上高度集中，或者说激光束具有高度准直性。 一个普通光源，一般是向着三维空间所有可能的方向发光的，即使采用最 好的光学系统把普通光源辐射的光能流集中在一个方向上，与激光相比， 其发散度仍然很大。 3 4 步进电动机阳3 步进电动机也是粘度仪的重要组成部件。它带动悬丝在坩埚中转动， 从而使镜子来回摆动。因此对步进电动机驱动器的控制电路的设计也非常 重要。 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移的驱动器，即顺序切换 电动机的励磁相电流，电动机运行；当脉冲数增加时，电动机角位移随之 增加；当脉冲频率变大，电动机速度变快；改变励磁脉冲的相序，电动机 反转； 步进电动机具有自身的特色，归纳起来有； ( 1 1 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 ( 2 ) 位移与输入脉冲信号数相对应步距误差不长期积累，可以组成结 构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度 时组成闭环控制系统。 第2 0 页 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 ( 4 ) 易于起动、停止、正反转及变速。响性也好。 ( 5 ) 步距角选择范围大，可在几十角分至一百八十度大范围内选择。在 小步距情况可以在超低速下高转矩稳定运行、通常可以不经减速器直 接驱动负载。 ( 6 谨l 度可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进 电动机并可使它们完全同步运行。 ( 7 ) 步进电动机带惯性负载的能力较羞。 ( 8 ) 由于存在失步和共振，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态 的不同而复杂化。 ( 9 1 不能直接使用普通的交直流电源驱动。 步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而要通过分配器和功率 放大器接受控制脉冲，也就是必须使用专用设备即步进电动机驱动器。 利用计算机编程的方式实现控制，可以靠“软件”改变控制方式。灵 活性高，成本也低。本台粘度仪的步进电动机就是用计算机进行控制，主 要是控制脉冲信号( 转动快还是慢) 和方向信号( 左转还是右转) 。 第2 1 页 山东大学硕士学位论文 第四章测控系统的硬件设计 回转振动式高温熔体粘度仪由计算机控制运行。控制与数据处理系统 是整个仪器的核心，完成对外部硬件的控制，对数据的采样和处理，显示 保存并打印测量结果。为了实现对仪器的精确控制，自行开发设计了块 硬件电路板，由计算机控制，完成以上功能。本章将具体阐述系统硬件设 计，主要包括光电变换部分、脉冲信号处理部分、时间周期的测量部分、 8 2 5 5 并行通信口等。 4 1 系统的基本组成 此粘度仪的具体硬件模块设计包括脉冲的合成、时基信号的产生、计 数译码显示电路、与8 2 5 5 连接等等。具体硬件模块框图如图4 1 所示。 图4 1 a 、b 光信号经光电变换后变成电信号，由于这些电信号很不规则，需 要进行整形，经整形电路后，成为规则的脉冲波形，然后把a 、b 两路脉冲 信号合成为一路信号l 。l 与时基信号经门电路后送到计数译码显示电路 中，得到a a 、a b 时间。l 还需经过微分电路与计数器的输出端把8 4 2 1 b c d 码迭到并行通信口8 2 5 5 中，再由计算机读取数据进行处理、输出控制等等。 第2 2 页 山东大学硕士学位论文 4 2 脉冲的合成 a 、b 两路脉冲整形及合成的电路框图如图4 - 2 所示。a 、b 两路波形 经过单稳态触发器7 4 1 2 1 整形后，变成规则的两路脉冲信号，再由j k 触 发器m c l 4 0 2 7 和t t l 7 4 1 1 2 波形变换后，经或门7 4 l s 3 2 后，合成为一路 脉冲信号l 。 具体工作原理将分步详细介绍 图4 2 脉冲合成电路图 一、a 、b 两路脉冲的产生 当电动机转动后，带动镜子在坩埚( 盛放待测样品) 中转动，由镜子 反射回来的光束过a 传感器产生一个脉冲，过b 传感器产生一个脉冲，如 下图4 3 所示： 第2 3 页 山东大学硕士学位论文 八八八 v 1 n 口 口阻 _ 且 图4 - 3 要求将a 、b 两路脉冲合为一路脉冲，得到a a 、a b 的时间周期。 二、t t l 7 4 1 1 2 和m c l 4 0 2 7 7 4 1 2 1 集成单稳态触发器按图4 2 方式连接后，可把不规则的脉冲信 号变成规则的脉冲信号。 在电路合成图形中用的j k 触发器是t t l 7 4 1