【正文】 毛細(xì)管式在線粘度測量裝置的研制 摘要 ： 本文首先分析了目前國內(nèi) 外 液體動力粘度的在線測控需求情況， 然后 從泊肅葉定律出發(fā)，對常規(guī)毛細(xì)管粘度計(jì)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，研制出一套新型自動粘度測量裝置，該裝置采用氣液隔板隔離液體與傳感器及動力部件，避免兩者相接觸而造成的清洗困難。該裝置系統(tǒng)通過 STC12C5A60S2單片機(jī)系統(tǒng)控制裝置運(yùn)行，并自動檢測 相關(guān)信號 ，計(jì)算被測液體粘度。 文章最后給出測量誤差分析及改進(jìn)之處。 關(guān)鍵詞 ： 粘度， 在線 測量，單片機(jī) 系統(tǒng) ，閉環(huán)控制 第一章 粘度在線測控現(xiàn)狀及發(fā)展方向 1 課題研究背景及意義 粘度是衡量液體抑制流動能力的一個(gè)重要的物理參數(shù)，是液體的重要物理性質(zhì)和技術(shù)指標(biāo)之一。液體的粘度特性往往與產(chǎn)品的其他特性如顏色、密度、穩(wěn)定性、固體成分含量和分子量的改變有關(guān)系，而檢測這些特性的最方便和靈敏的方法就是在線檢測液體的粘度。在物理化學(xué)，流體力學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域中，粘度測量對了解流體性質(zhì)及研究流動狀態(tài)起著重要的作用 [1]。隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷提高，粘度的準(zhǔn)確測定在許多工業(yè)部門和科學(xué)研究領(lǐng)域中都具有重要意義，粘度測量的要求日益突出。實(shí)際工程和工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要在線檢測流體的粘度，以保證最佳的過程運(yùn)行環(huán)境與產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高生產(chǎn)效益，特別是在石油化工、醫(yī)藥、冶金及食品等行業(yè)中口 [2][3]。例 如：原油管道長距離輸送過程中，原油粘度過大不僅影響輸送效率，而且可能會造成原油凝管，發(fā)生事故。通過在線測量過程中的液體粘度，可以得到液體流變行為的數(shù)據(jù)，對于預(yù)測產(chǎn)品工藝過程的工藝控制，輸送性以及產(chǎn)品在使用時(shí)的操作性有著重要的指導(dǎo)價(jià)值。 總之， 液體粘度 的 在線 測量在石油、化工、國防、醫(yī)學(xué)和煤炭等國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。 2 液體粘度的傳統(tǒng)測量方法 傳統(tǒng)的粘度測量方法有旋轉(zhuǎn)法、振動法 、 毛細(xì)管法 和落體式測量法 。 旋轉(zhuǎn)法測量液體粘度是目前應(yīng)用廣泛的一種方法。其基本原理是 ： 當(dāng)流體與浸于其中的物體二者之一或者二者都作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，物體將受到流體粘性力矩的作用而改變原來的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，通過測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。旋轉(zhuǎn)法適用范圍寬，測量方便，易得到大量的數(shù)據(jù)，但測量精度較低，測得的粘度值一般為相對值 [4]。 振動法測量方式有扭轉(zhuǎn)振動式 和 振動片式等 多種 。常用的扭轉(zhuǎn)振動式測量包括衰減振動式和強(qiáng)制振動式。衰減振動式基于浸于液體中作扭轉(zhuǎn)振動的物體由于受到液體施于的粘性力 ， 其扭轉(zhuǎn)振幅會衰減，測量出振幅衰減情況和衰減周期，即可通過相應(yīng)公式計(jì)算出液體粘度；強(qiáng)制振動式原理是由外界補(bǔ)充振動物體由于粘性所損耗的能量，使振動物體維持恒定振動頻率和振幅，由所補(bǔ)充的能量和液體粘度之間的關(guān)系計(jì)算粘度值。振動法常用于低粘度液體的粘度測量。振動法具有振動周期和衰減測量方便、樣品用量少、控溫方便的優(yōu)點(diǎn)，但沒有公認(rèn)的理想粘度計(jì)算公式 [5]。 毛細(xì) 管法的理論基礎(chǔ)是泊肅葉定律 ， 即一定體積的液體在一定壓力梯度下通過給定毛細(xì)管所需時(shí)間正比于層流液體的粘度，可通過測量液體流速和液體流經(jīng)毛細(xì)管產(chǎn)生的壓力計(jì)算出液體粘度。 毛細(xì)管粘度儀作為分析性粘度儀已應(yīng)用多年，可在基礎(chǔ)溫度 (參考溫度 )下直接測量粘度。其工作過程如下：部分樣品由一個(gè)精確的計(jì)量泵由過濾器吸入到粘度分析儀中，并在加熱槽中循環(huán)，直至樣品溫度穩(wěn)定；而后，樣品流過一段短毛細(xì)管，期間測量毛細(xì)管兩端的壓降 (為動態(tài)粘度的函數(shù) )，再利用密度測量值加以校正，便可獲得參考溫度下的運(yùn)動粘度值。毛細(xì)管粘度測量精度高、測量過程 中能夠進(jìn)行精確穩(wěn)定的溫度控制，具有良好的趨勢分析效果。但毛細(xì)管粘度儀的成本和安裝費(fèi)用很高，且存在裝置內(nèi)殘留樣品不易清洗，測量周期長等缺點(diǎn) [6]。 落體式粘度計(jì)的基本原理是球體或柱體在被測液體中下落，通過測量落體通過兩定點(diǎn)所用的時(shí)間來測定粘度，也可以讓球體滾動通過傾斜的平面。落球式粘度計(jì)原則上可測定絕對粘度，但往往也作為一種間接法，它可以用來測定加壓下液體的粘度 [7][8]。落球式粘度計(jì)的精度低于毛細(xì)管粘度計(jì)，測量的方法是以同一小球依次在測量管內(nèi)的不同液體中下落，并記下其降落距離相等的時(shí)間。如果小球在所選用的 參比液體中降落一定距離所需要的時(shí)間為幻，且參比液體的粘度及密度皆已知，則只需知道待測液體的密度，便可算出待測液體的粘度。 與落球法相類似的另一種方法是拉球法 [9]，此法克服了落球法在測量技術(shù)上的困難，如在高溫粘度測量中，由于高溫爐、容器及熔體不透明，無法用直接目測法測量小球的下落速度，拉球法是一種使小球在液體中進(jìn)行強(qiáng)制往上運(yùn)動的方法。拉球法中，拉力與粘滯摩擦阻力的關(guān)系如式 (1)所示： T = 6ηπRu = ku (1) 式中， T為拉力 (可由加入天平的砝碼質(zhì)量求出 )； R為小球半徑； u為小球往上移動的速度； k為與 R有關(guān)的比例系數(shù)。 通過實(shí)驗(yàn)測量出不同拉力作用下的小球往上移動速度，作移動速度對拉力的圖線，所得曲線的斜率即為比例系數(shù) k，于是可求得粘度數(shù)值。在該方法中，小球向上移動的速度，可通過測量小球吊絲上部任何一個(gè)固定點(diǎn)的移動速度求得。 3 液體粘度測量新方法 而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、圖像技術(shù)以及傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，大大推動了液體粘度測定技術(shù)的發(fā)展，液體粘度的測定裝置及測定方法也得到了不斷的完善和創(chuàng)新，粘度測量方法日益更新。 近年來 ， 微型測量技術(shù)在粘度測量中得到了應(yīng)用 ， 這使得測量樣品用量極大的減少。 Nabil Ahmed[10]根據(jù)原子應(yīng)力顯微鏡懸臂共振頻率隨其浸入不同粘性介質(zhì)發(fā)生變化的原理 ， 通過研究原子應(yīng)力顯微鏡懸臂共振頻率的移動進(jìn)行了溶液粘度的測量，所需樣品量一般少于 200μl。 Z. H. SilberLi等 [11]綜合已有技術(shù) ， 設(shè)計(jì)了自動調(diào)溫微管粘度計(jì) ， 管徑只有 20μm， 通過 CCD連接立體顯微鏡和計(jì)算機(jī)觀測液流情況 ， 進(jìn)而推得粘度值 ， 利用熱電塞貝克效應(yīng)進(jìn)行控溫。所需樣品量少 ，在生物液粘度測量上有很大的優(yōu)勢。 超聲波技術(shù)由 Mason等最早引入液體的粘度測量 [12]， 但直到近年來才有了一定的發(fā)展。 Thomas [13]基于聲流發(fā)展了一種非侵入式的粘度測量方法 ，通過超聲波多普勒技術(shù)測量誘導(dǎo)波的速度 ， 進(jìn)而得出密封液體的粘度。 Behic Mert等 [14]基于圓柱管內(nèi)液體引起聲能的衰減依賴于液體粘度、聲音頻率、管厚度及管材料的關(guān)系 ， 發(fā)展了一種新方法 ， 通過測量圓柱導(dǎo)波器內(nèi)平面波的聲阻抗得到了液體粘度。 光學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ， 促進(jìn)了其在粘度測量中的應(yīng)用。 Boza A. Nemet等 [15]利用共焦顯微鏡和光鉗技術(shù)發(fā)展了一種可以用來進(jìn)行流體動力學(xué)測量的儀器 ， 這種儀器對樣品具有很小的破壞性。 Alexis I. Bishop等 [16]利用旋轉(zhuǎn)激光捕獲的粒子進(jìn)行光學(xué)方式的微觀流變學(xué)研究。將激光束線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光后用來旋轉(zhuǎn)浸入液體的雙折射探測粒子 ， 利用設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng) ， 精確測量出施于旋轉(zhuǎn)探測粒子上的力矩 ， 又可知液體對粒子的粘性阻力矩 ， 由探測粒子勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)兩者相等 ， 即可以得到液體粘度值。 T. Oba等用 CO2 激光束加熱液體表面 ， 并通過觀察表面波瞬間的行為 ， 分析其熱力學(xué)行為得到液體粘度值 [17]。 Y. Yoshitake等 [18]利用激光誘導(dǎo)表面應(yīng)變技術(shù) ， 通過研究表面應(yīng)變與激光誘導(dǎo)的延遲時(shí)間得到了 液體粘度值。 4 液體粘度測量發(fā)展趨勢 國民經(jīng)濟(jì)許多領(lǐng)域均與粘度測定技術(shù)密切相關(guān)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 一方面實(shí)際生產(chǎn)需要研究和應(yīng)用新的粘度測試技術(shù)；另一方面由于相關(guān)領(lǐng)域的技 術(shù)進(jìn)步，粘度測試技術(shù)將有可能獲得改進(jìn)與提高。綜合分析兩方面因素，液體粘 度測定技術(shù)將在以下三個(gè)方向得到較大發(fā)展： (1)基于現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集與處理方法完善傳統(tǒng)粘度檢測技術(shù) 經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，傳統(tǒng)的粘度測量方法已經(jīng)比較成熟，盡管許多儀表 體積偏大，操作較為復(fù)雜，但其測量精度及可靠性已經(jīng)過長期考驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上， 適當(dāng)結(jié)合現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，將使智能化程度和測試精度得到較大改善。 (2)針對新型智能材料性能評價(jià)的粘度檢測技術(shù) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新興材料不斷涌現(xiàn)，特別是以電流變液為代表的 新一代智能材料的出現(xiàn)，對液體粘度測定提出了新的挑戰(zhàn)。作為一種固液兩相懸 浮液，在外加電場 (或磁場 )的作用下，電 (或磁 )流變液的粘度會迅速變化，而現(xiàn) 有的各種粘度測量儀對粘度的變化只能望而卻步。因此，研究適用于寬測量范 圍的粘度測試方法和測試裝置將是今后一個(gè)重要發(fā)展方向。 (3)適合生物體體液流動粘度監(jiān)測的新技術(shù) 粘度是了解生 物體體液流動機(jī)理的基礎(chǔ)，對生物流體學(xué)的研究具有重要的意 義，它可以直接服務(wù)于生物醫(yī)學(xué)工程，目前，雖然已有很多方法可以測定全血的 粘度，但在精度上還達(dá)不到醫(yī)學(xué)的要求，所以在對全血粘度的精確測定上還有漫 長的道路，更應(yīng)引起廣大研究者的重視。 第二章 理論基礎(chǔ)及模型建立 對幾種傳統(tǒng)粘度測量方法對比分析， 旋轉(zhuǎn)法測量精度不高且液體的粘性力矩不易準(zhǔn)確測量，振動式測量法適用于低粘度液體的粘度測量，沒有公認(rèn)的理想計(jì)算公式，而毛細(xì)管 式測量法具 有 測量精度高和具體的粘度計(jì)算公式的優(yōu)點(diǎn)， 并且可通過改變毛細(xì)管的粗細(xì)（內(nèi)徑）適應(yīng)不同的粘度測量范圍， 課題組決定在傳統(tǒng)毛細(xì)管法的基礎(chǔ)上 進(jìn)行 改進(jìn) ，克服裝置內(nèi)殘留樣品不易清洗的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)毛細(xì)管式在線粘度測量裝置。 1 理論基礎(chǔ) 毛細(xì)管法的理論基礎(chǔ)是泊肅葉定律 ， 即一定體積的液體在一定壓力梯度下通過給定毛細(xì)管所需時(shí)間正比于層流液體的粘度，可通過測量液體流速和液體流經(jīng)毛細(xì)管產(chǎn)生的壓力計(jì)算出液體粘度。 毛細(xì)管法測定液體粘度的理論基礎(chǔ)是 泊肅葉 (Poiseulle)定律，即： ?? ?? ???? L rPQ 84?????????????????令 R＝ 8uL / (π r^4)，即 Q＝ ΔP / R， R 稱為 流阻 。 又流量 Q=V / t，式 (2)可變?yōu)椋? tVLtrP ?? ????? 8 4?? (3) 式 (3)中： r為毛細(xì)管半徑： t為液體流經(jīng)毛細(xì)管的時(shí)間： L為毛細(xì)管長度； Vt為 t時(shí)問內(nèi)液體所流過的體積； P? 為流體 流過毛細(xì)管在毛細(xì)管兩端產(chǎn)生 的壓力 差 。 2 測量裝置模型的建立 圖 1 毛細(xì)管在線粘度測量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 本課題實(shí)驗(yàn)裝置 模型 如圖 1 所示。 工作原理： 電機(jī) 轉(zhuǎn)動帶動 直 線滑臺推動活塞在圓管內(nèi)移動，移動距離可 計(jì)算 得出 ，乘以圓管的截面積除以時(shí)間即為被吸入圓管內(nèi)液體的流量，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，該流量也是毛細(xì)管內(nèi)流體的流量。圓管內(nèi)固定設(shè)置的氣液隔板在其上方開孔可實(shí)現(xiàn)隔板兩邊同壓力，如此測量氣體壓力即為被吸入液體的壓力，而待測液體一邊與大氣相通，利用差壓變送器測得圓管內(nèi)外氣體的壓差即為毛細(xì)管兩端的壓差。 與傳統(tǒng)毛細(xì)管粘度儀相比，本裝置采用直線滑臺 差壓變送器 毛細(xì)管 待測液體 大氣 氣體 活塞 氣液隔板 被吸入的液體 圓管 氣液隔板解決了測量時(shí)液體與傳感器及動力部件相接觸的難題。 考慮實(shí)際使用情況，流經(jīng)毛細(xì)管的待測液體其粘度計(jì)算式由式 (3)改為 式 (4)： Ql dp ?? ???? 1284?? (4) 式中：為 Δ p 毛細(xì)管兩端的壓差， d 為毛細(xì)管 內(nèi)壁 直徑， l 為毛細(xì)管長度， Q為毛細(xì)管內(nèi) 流 體 的體積流量。 基于上述測量原理的分析可知，粘度的測量為間接測量，為了獲得粘度值，在本測量系統(tǒng)中主要的測量參數(shù)為毛細(xì)管兩端壓差信號 Δ p，和流體流量 Q。 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對硬件進(jìn)行調(diào)試、測試，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。軟件設(shè)計(jì)部分，首先在總體設(shè)計(jì)中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計(jì)，擬定詳細(xì)的工作計(jì)劃；然后進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語言和工具，進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)等；最后是對軟件進(jìn)行調(diào)試、測試，達(dá)到所需功能要求。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)方法的選用是系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵。硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法保證設(shè)計(jì)電路的標(biāo)準(zhǔn) 化、模塊化。硬件電路的設(shè)計(jì)最重要的選擇用于控制的單片機(jī)，并確定與之配套的外圍芯片，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又高性能。硬件電路設(shè)計(jì)還包括輸入輸出接口設(shè)計(jì)，畫出詳細(xì)電路圖，標(biāo)出芯片的型號、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)及時(shí)修改，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，先編寫各個(gè)功能模塊子程序，然后進(jìn)行組合與調(diào)整，經(jīng)過調(diào)試后，達(dá)到設(shè)計(jì)功能要求。 系統(tǒng)框圖如圖 2 所示： 圖 2 系統(tǒng)框圖 差壓變送器 AD 模塊 控制器 液晶顯示 第三章 硬件設(shè)計(jì) 1 元器件的選擇 電機(jī) 的選擇 電動機(jī) 種類很多，大抵可分為直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，如何選擇合適的電動機(jī)帶動裝置中直線滑臺的移動需與測量所需參數(shù)移動距離等結(jié)合一起來考量。 直流電機(jī) 直流電 動 機(jī)是指 輸入為直流電能 并可 將直流電能轉(zhuǎn)