自動(dòng)粘度測(cè)定儀中粘溫測(cè)量功能的設(shè)計(jì)
粘度是液體的重要物理性質(zhì)之一，是食品業(yè)、油漆業(yè)、石油以及其它工業(yè)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)特征，自動(dòng)粘度測(cè)定儀廣泛應(yīng)用于此類行業(yè)。目前測(cè)量粘度的方法主要有毛細(xì)血管自動(dòng)粘度測(cè)定儀、落球式自動(dòng)粘度測(cè)定儀、自動(dòng)粘度測(cè)定儀和振動(dòng)法自動(dòng)粘度測(cè)定儀。在上述粘度的測(cè)量方法中，自動(dòng)粘度測(cè)定儀，由于其可以在不同的切變率下對(duì)同種材料進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于測(cè)量牛頓液體和非牛頓液體的粘度及流變特性。
傳統(tǒng)的自動(dòng)粘度測(cè)定儀只能測(cè)得當(dāng)前溫度下被測(cè)液體的粘度，由于在測(cè)試過程中，往往需要同種液體的不同溫度下的粘度，由于控制溫度是對(duì)環(huán)境的要求極高，一般是放在恒溫槽進(jìn)行恒溫，增加了測(cè)試的成本和工作量，所以有必要設(shè)計(jì)一種能修正粘度的自動(dòng)粘度測(cè)定儀。鑒于扭距傳感器的價(jià)格昂貴，文中的自動(dòng)粘度測(cè)定儀采用傳統(tǒng)法設(shè)計(jì)，用游絲感應(yīng)轉(zhuǎn)筒探頭的扭矩，根據(jù)粘度與溫度的關(guān)系，在程序中加入轉(zhuǎn)換算法，實(shí)現(xiàn)了粘溫轉(zhuǎn)換，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重大的意義。
1自動(dòng)粘度測(cè)定儀測(cè)量原理
當(dāng)流體與浸于其中的物體(如圓筒、圓錐、圓板、球及其他形狀的剛性體)二者之一或者二者都作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體將受到流體粘性力矩的作用而改變?cè)瓉淼霓D(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩。的原理是通過測(cè)量流體作用于物體的粘性力矩或物體的轉(zhuǎn)速來確定流體的粘度。
將液體裝于兩同軸的圓筒間隙中，設(shè)內(nèi)、外筒的半徑分別為R1及R2，內(nèi)筒的浸入深度為h(通常內(nèi)筒是全浸，即內(nèi)筒的長(zhǎng)度為h)，如圖1所示。當(dāng)內(nèi)筒以角速度ω相對(duì)外筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于液體間各液層速度不同，有速度梯度dv/dr存在。液層間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦除了正比于兩液層間接觸面積ΔS以外，還正比于該處的速度梯度dv/dr，即
式中：2πrl為起剪切作用的有效面積；M為扭矩傳感器所測(cè)偏轉(zhuǎn)力矩。
由于外筒內(nèi)壁液體與筒壁無滑動(dòng)，角速度ω=0，內(nèi)筒的角速度為ω，將式(1)分離變數(shù)并積分，整理結(jié)果得到
既得
式中a為扭矩元件的偏轉(zhuǎn)角。
對(duì)于單圓筒結(jié)構(gòu)式的旋轉(zhuǎn)自動(dòng)粘度測(cè)定儀，其與同軸圓筒結(jié)構(gòu)的區(qū)別僅在于它沒有外筒，用半徑很大的容器代替圓筒盛放試液。
對(duì)于單圓筒結(jié)構(gòu)，也可按同圓筒的方法推導(dǎo)出如上所示的公式，但由于內(nèi)筒的半徑比圓筒(內(nèi)筒)的半徑大許多，即R22≥R21，可忽略式(3)中的1/R22項(xiàng)，得
2粘溫轉(zhuǎn)換原理
2.1粘度與溫度的關(guān)系：粘度與溫度的關(guān)系非常密切，在常溫常壓下，當(dāng)溫度變化1℃時(shí)，液體的粘度變化達(dá)到百分之幾至十幾，氣體約為千分之幾。粘度與溫度并不成線性關(guān)系，它與溫度范圍有關(guān)，溫度越低，則粘溫關(guān)系越密切。
液體粘度與溫度的關(guān)系主要可用安德雷德(Andrade)通用式表示：
式中：A為實(shí)驗(yàn)常數(shù)，在不同溫度下實(shí)驗(yàn)求得；k為氣體常數(shù)；T為環(huán)境絕對(duì)溫度；E為粘流活化能，表示分子由一個(gè)位置前移到另一位置所需要的能量，與分子結(jié)構(gòu)，分子鏈的長(zhǎng)短及溫度有關(guān)。
2.2粘溫轉(zhuǎn)換計(jì)算法則不同溫度下的粘度換算對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量具有重大的意義，程序算法中有一套完整的自動(dòng)粘度測(cè)定儀算法則，主要依據(jù)阿列紐斯(瑞典化學(xué)家)關(guān)系式，粘度：
式中：A和B表示液體流體常數(shù)；T表示絕對(duì)溫度。
考慮到溫度影響后的自動(dòng)粘度測(cè)定儀算式則改寫為：
式中：VC為溫度變化、tl、trEF條件下的修正粘度；VL為實(shí)時(shí)粘度；trEF為鍵盤輸入的環(huán)境溫度；tl為液體溫度；P0、P1為輸入的液體流動(dòng)常數(shù)。
P1和P0常數(shù)是不穩(wěn)定的，由實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定，其中P0常數(shù)是一個(gè)抵消常數(shù)，通常為零。P1常數(shù)是主要的溫度修正參數(shù)，即溫度變化下的修正粘度因數(shù)。P1和P0常數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。P1的決定非常重要，可以從科學(xué)過程資料參考書中查取，同時(shí)可查取不同溫度下的流體粘度，這樣就可以計(jì)算P1常數(shù)：
式中：V1為t1溫度下的粘度；V2為t2溫度下的粘度。
在實(shí)際測(cè)量中，只要輸入相應(yīng)的溫度值，自動(dòng)粘度測(cè)定儀進(jìn)過換算，就會(huì)在LCD中顯示經(jīng)修正的粘度值。
3自動(dòng)粘度測(cè)定儀軟硬件設(shè)計(jì)
3.1硬件設(shè)計(jì)：自動(dòng)粘度測(cè)定儀主要包括步進(jìn)電機(jī)、光斷續(xù)器、圓筒、按鍵、CPU、溫度傳感器和LCD屏。自動(dòng)粘度測(cè)定儀的工作流程是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)圓筒探頭在被測(cè)液體中做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于被測(cè)液體的粘附作用，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)粘附力矩，該力矩將由游絲所產(chǎn)生收縮力矩抵消。游絲因收縮所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角將由光斷續(xù)器所測(cè)得的時(shí)間差所確定。光斷續(xù)器所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過CPU處理，在LCD中將會(huì)顯示進(jìn)過計(jì)算的粘度值。通過按鍵鍵入溫度值，LCD將會(huì)顯示修正粘度值。
3.2軟件設(shè)計(jì)自動(dòng)粘度測(cè)定儀軟件設(shè)計(jì)主要包括以下程序模塊：初始化模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、讀取光斷續(xù)器信號(hào)模塊、按鍵輸入、粘溫轉(zhuǎn)換、LCD顯示等，圖3是自動(dòng)粘度測(cè)定儀程序主流程圖。
游絲偏轉(zhuǎn)角度的測(cè)量是自動(dòng)粘度測(cè)定儀軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，文中利用了PIC16F877單片機(jī)的中的定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊(TIMER0)來進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊(TIMER0)是一個(gè)8位的簡(jiǎn)單增量溢出計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘源可以是內(nèi)部指令時(shí)鐘(來源于主頻的四分頻)，也可以是來自RA4/T0CK1引腳的內(nèi)部數(shù)字脈沖。當(dāng)對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)就作為計(jì)數(shù)器使用，在使用外部時(shí)鐘時(shí)，可以選擇用脈沖的上升沿或下降沿來觸發(fā)，進(jìn)行加1計(jì)數(shù)。
在文中，脈沖信號(hào)來自光斷續(xù)器，測(cè)得光斷續(xù)器的開關(guān)時(shí)間差，已知電機(jī)轉(zhuǎn)速，就可以測(cè)得游絲偏轉(zhuǎn)的角度，從而計(jì)算得到粘度值。
4文中提出了一種帶有粘溫轉(zhuǎn)換功能的自動(dòng)粘度測(cè)定儀的設(shè)計(jì)方案，并從硬件和軟件兩方面比較詳細(xì)地介紹了該新型自動(dòng)粘度測(cè)定儀的設(shè)計(jì)開發(fā)過程以及相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)。為驗(yàn)證儀器的精度，分別對(duì)3種使用過的機(jī)油進(jìn)行測(cè)量，通過實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較表明，該儀器能精確測(cè)得粘度值，并通過粘溫轉(zhuǎn)換后的粘度與實(shí)際溫度下的被測(cè)液體的粘度值誤差比較小，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。
