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1、毛细管式在线粘度测量装置的研制摘要：本文首先分析了目前国内外液体动力粘度的在线测控需求情况，然后从泊肃叶定律出发，对常规毛细管粘度计进行改进设计，研制出一套新型自动粘度测量装置，该装置采用气液隔板隔离液体与传感器及动力部件，避免两者相接触而造成的清洗困难。该装置系统通过STC12C5A60S2单片机系统控制装置运行，并自动检测相关信号，计算被测液体粘度。文章最后给出测量误差分析及改进之处。关键词：粘度，在线测量，单片机系统，闭环控制第一章 粘度在线测控现状及发展方向1 课题研究背景及意义粘度是衡量液体抑制流动能力的一个重要的物理参数，是液体的重要物理性质和技术指标之一。液体的粘度特性往往与产品
2、的其他特性如颜色、密度、稳定性、固体成分含量和分子量的改变有关系，而检测这些特性的最方便和灵敏的方法就是在线检测液体的粘度。在物理化学，流体力学等科学领域中，粘度测量对了解流体性质及研究流动状态起着重要的作用1。随着国民经济的不断提高，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，粘度测量的要求日益突出。实际工程和工业生产中，经常需要在线检测流体的粘度，以保证最佳的过程运行环境与产品质量，从而提高生产效益，特别是在石油化工、医药、冶金及食品等行业中口23。例如：原油管道长距离输送过程中，原油粘度过大不仅影响输送效率，而且可能会造成原油凝管，发生事故。通过在线测量过程中的液体粘度，
3、可以得到液体流变行为的数据，对于预测产品工艺过程的工艺控制，输送性以及产品在使用时的操作性有着重要的指导价值。总之，液体粘度的在线测量在石油、化工、国防、医学和煤炭等国民经济中发挥着越来越重要的作用。2 液体粘度的传统测量方法传统的粘度测量方法有旋转法、振动法、毛细管法和落体式测量法。旋转法测量液体粘度是目前应用广泛的一种方法。其基本原理是：当流体与浸于其中的物体二者之一或者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，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。旋转法适用范围宽，测量方便，易得到大量的数据，但测量精度较低，测得的粘度值一般为相对值4
4、。振动法测量方式有扭转振动式和振动片式等多种。常用的扭转振动式测量包括衰减振动式和强制振动式。衰减振动式基于浸于液体中作扭转振动的物体由于受到液体施于的粘性力，其扭转振幅会衰减，测量出振幅衰减情况和衰减周期，即可通过相应公式计算出液体粘度；强制振动式原理是由外界补充振动物体由于粘性所损耗的能量，使振动物体维持恒定振动频率和振幅，由所补充的能量和液体粘度之间的关系计算粘度值。振动法常用于低粘度液体的粘度测量。振动法具有振动周期和衰减测量方便、样品用量少、控温方便的优点，但没有公认的理想粘度计算公式5。毛细管法的理论基础是泊肃叶定律，即一定体积的液体在一定压力梯度下通过给定毛细管所需时间正比于层流
5、液体的粘度，可通过测量液体流速和液体流经毛细管产生的压力计算出液体粘度。毛细管粘度仪作为分析性粘度仪已应用多年，可在基础温度(参考温度)下直接测量粘度。其工作过程如下：部分样品由一个精确的计量泵由过滤器吸入到粘度分析仪中，并在加热槽中循环，直至样品温度稳定；而后，样品流过一段短毛细管，期间测量毛细管两端的压降(为动态粘度的函数)，再利用密度测量值加以校正，便可获得参考温度下的运动粘度值。毛细管粘度测量精度高、测量过程中能够进行精确稳定的温度控制，具有良好的趋势分析效果。但毛细管粘度仪的成本和安装费用很高，且存在装置内残留样品不易清洗，测量周期长等缺点6。落体式粘度计的基本原理是球体或柱体在被测
6、液体中下落，通过测量落体通过两定点所用的时间来测定粘度，也可以让球体滚动通过倾斜的平面。落球式粘度计原则上可测定绝对粘度，但往往也作为一种间接法，它可以用来测定加压下液体的粘度78。落球式粘度计的精度低于毛细管粘度计，测量的方法是以同一小球依次在测量管内的不同液体中下落，并记下其降落距离相等的时间。如果小球在所选用的参比液体中降落一定距离所需要的时间为幻，且参比液体的粘度及密度皆已知，则只需知道待测液体的密度，便可算出待测液体的粘度。与落球法相类似的另一种方法是拉球法9，此法克服了落球法在测量技术上的困难，如在高温粘度测量中，由于高温炉、容器及熔体不透明，无法用直接目测法测量小球的下落速度，拉
7、球法是一种使小球在液体中进行强制往上运动的方法。拉球法中，拉力与粘滞摩擦阻力的关系如式(1)所示：T=6Ru=ku (1)式中，T为拉力(可由加入天平的砝码质量求出)；R为小球半径；u为小球往上移动的速度；k为与R有关的比例系数。通过实验测量出不同拉力作用下的小球往上移动速度，作移动速度对拉力的图线，所得曲线的斜率即为比例系数k，于是可求得粘度数值。在该方法中，小球向上移动的速度，可通过测量小球吊丝上部任何一个固定点的移动速度求得。3 液体粘度测量新方法而随着计算机技术、光学技术、图像技术以及传感器技术的不断进步，大大推动了液体粘度测定技术的发展，液体粘度的测定装置及测定方法也得到了不断的完善
8、和创新，粘度测量方法日益更新。近年来，微型测量技术在粘度测量中得到了应用，这使得测量样品用量极大的减少。Nabil Ahmed10根据原子应力显微镜悬臂共振频率随其浸入不同粘性介质发生变化的原理，通过研究原子应力显微镜悬臂共振频率的移动进行了溶液粘度的测量，所需样品量一般少于200l。Z. H. Silber-Li等11综合已有技术，设计了自动调温微管粘度计，管径只有20m，通过CCD连接立体显微镜和计算机观测液流情况，进而推得粘度值，利用热电塞贝克效应进行控温。所需样品量少，在生物液粘度测量上有很大的优势。超声波技术由Mason等最早引入液体的粘度测量12，但直到近年来才有了一定的发展。Th
9、omas G.Hertz等13基于声流发展了一种非侵入式的粘度测量方法，通过超声波多普勒技术测量诱导波的速度，进而得出密封液体的粘度。Behic Mert等14基于圆柱管内液体引起声能的衰减依赖于液体粘度、声音频率、管厚度及管材料的关系，发展了一种新方法，通过测量圆柱导波器内平面波的声阻抗得到了液体粘度。光学技术的发展，促进了其在粘度测量中的应用。Boza A. Nemet等15利用共焦显微镜和光钳技术发展了一种可以用来进行流体动力学测量的仪器，这种仪器对样品具有很小的破坏性。Alexis I. Bishop等16利用旋转激光捕获的粒子进行光学方式的微观流变学研究。将激光束线偏振光转变为圆偏振
10、光后用来旋转浸入液体的双折射探测粒子，利用设计的光学系统，精确测量出施于旋转探测粒子上的力矩，又可知液体对粒子的粘性阻力矩，由探测粒子匀速旋转时两者相等，即可以得到液体粘度值。T. Oba等用CO2 激光束加热液体表面，并通过观察表面波瞬间的行为，分析其热力学行为得到液体粘度值17。Y. Yoshitake等18利用激光诱导表面应变技术，通过研究表面应变与激光诱导的延迟时间得到了液体粘度值。4 液体粘度测量发展趋势国民经济许多领域均与粘度测定技术密切相关，随着科学技术的不断发展，一方面实际生产需要研究和应用新的粘度测试技术；另一方面由于相关领域的技术进步，粘度测试技术将有可能获得改进与提高。综
11、合分析两方面因素，液体粘度测定技术将在以下三个方向得到较大发展：(1)基于现代数据采集与处理方法完善传统粘度检测技术经过多年的发展与完善，传统的粘度测量方法已经比较成熟，尽管许多仪表体积偏大，操作较为复杂，但其测量精度及可靠性已经过长期考验。在此基础上，适当结合现代数据采集与处理技术，将使智能化程度和测试精度得到较大改善。(2)针对新型智能材料性能评价的粘度检测技术随着科学技术的发展，一些新兴材料不断涌现，特别是以电流变液为代表的新一代智能材料的出现，对液体粘度测定提出了新的挑战。作为一种固液两相悬浮液，在外加电场(或磁场)的作用下，电(或磁)流变液的粘度会迅速变化，而现有的各种粘度测量仪对粘
12、度的变化只能望而却步。因此，研究适用于宽测量范围的粘度测试方法和测试装置将是今后一个重要发展方向。(3)适合生物体体液流动粘度监测的新技术粘度是了解生物体体液流动机理的基础，对生物流体学的研究具有重要的意义，它可以直接服务于生物医学工程，目前，虽然已有很多方法可以测定全血的粘度，但在精度上还达不到医学的要求，所以在对全血粘度的精确测定上还有漫长的道路，更应引起广大研究者的重视。第二章 理论基础及模型建立对几种传统粘度测量方法对比分析，旋转法测量精度不高且液体的粘性力矩不易准确测量，振动式测量法适用于低粘度液体的粘度测量，没有公认的理想计算公式，而毛细管式测量法具有测量精度高和具体的粘度计算公式
13、的优点，并且可通过改变毛细管的粗细（内径）适应不同的粘度测量范围，课题组决定在传统毛细管法的基础上进行改进，克服装置内残留样品不易清洗的缺点，设计一个毛细管式在线粘度测量装置。1 理论基础毛细管法的理论基础是泊肃叶定律，即一定体积的液体在一定压力梯度下通过给定毛细管所需时间正比于层流液体的粘度，可通过测量液体流速和液体流经毛细管产生的压力计算出液体粘度。毛细管法测定液体粘度的理论基础是泊肃叶(Poiseulle)定律，即： (2)令R8uL / ( r4)，即QP / R，R称为流阻。又流量Q=V / t，式(2)可变为： (3)式(3)中：r为毛细管半径：t为液体流经毛细管的时间：L为毛细管
14、长度；Vt为t时问内液体所流过的体积；为流体流过毛细管在毛细管两端产生的压力差。2 测量装置模型的建立直线滑台差压变送器毛细管待测液体大气气体活塞气液隔板被吸入的液体圆管图1 毛细管在线粘度测量实验装置示意图本课题实验装置模型如图1所示。工作原理：电机转动带动直线滑台推动活塞在圆管内移动，移动距离可计算得出，乘以圆管的截面积除以时间即为被吸入圆管内液体的流量，根据质量守恒定律，该流量也是毛细管内流体的流量。圆管内固定设置的气液隔板在其上方开孔可实现隔板两边同压力，如此测量气体压力即为被吸入液体的压力，而待测液体一边与大气相通，利用差压变送器测得圆管内外气体的压差即为毛细管两端的压差。与传统毛细
15、管粘度仪相比，本装置采用气液隔板解决了测量时液体与传感器及动力部件相接触的难题。考虑实际使用情况，流经毛细管的待测液体其粘度计算式由式(3)改为式(4)： (4)式中：为p毛细管两端的压差，d为毛细管内壁直径，l为毛细管长度，Q为毛细管内流体的体积流量。基于上述测量原理的分析可知，粘度的测量为间接测量，为了获得粘度值，在本测量系统中主要的测量参数为毛细管两端压差信号p，和流体流量Q。3 系统设计系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出
