新型全自动毛细管式粘度测量系统的设计
毛细管法测量液体黏度实验再设计
要 ： 计 了 简单 的 毛 细 管 法 测 量 液 体 黏 度 的实 验 装 置 ， 过 测 量 液 面 高 度 与 时 间 的变 化 ， 合 实 验 数 据 得 到 液 设 通 拟
体 的 黏 度 ， 去 了传 统 的恒 压 液槽 的设 计 ．通 过 毛 细 管 外 加 恒 温 管 的 方 法 ， 较 准 确 地 测 量 不 同 温 度 下 液 体 黏 度 的 变 省 可
１ 引 言
液体 的黏度 是 由 液体 本 身 性 质 决 定 的 ， 反 是 映 液体黏 性 阻力 大小 的指标 ．不 同液体 具 有不 同 的黏度 ， 液体 的黏 度 与温度 有关 ， 随温度 的升 高 黏
度 显著 降低 ．测 定 液 体 的 黏度 ， 工 程技 术 以及 在 科 学 研 究 的许 多 领域 中， 有 十分 重 要 的 意 义 ． 都 在 基础 物理 实验 教 学 中 ， 用 的测 量 液 体 黏度 的 常 方 法有 ： 球 法 、 细 管 法 ¨、 筒 法 等 ． 落 毛 转 传 统 的毛细 管法 测 量 液 体 黏 度实 验 中 ， 一般 都 采 用 了包 含有 进 液 口和 溢 液 口的 恒 压 液槽 ， 以保 证
液体 黏度 之外 ， 增 加 了测 量不 同 温度 下 液 体 黏 还 度 ， 过实 验 给 出泊 肃 叶 公 式 中液 体 流速 与 毛 细 通
同温 度下 液 体 黏 度 时 起 到 了简 易 的 恒 温 器 的作
用， 实验 证 明 在 较短 时 间 内 ， 温效 果 良好 ， 液 恒 对
在 铁架 台上 ， 实 验 用 的 毛 细管 插 入 水 平 管 口胶 将
毛细管 两端 压强 差恒 定．我 们设 计 了简单 的毛 细
全自动油品运动粘度测量装置设计
全自动油品运动粘度测量装置设计摘要本文在分析国内外油品运动粘度测量技术现状基础上，根据伯塞尔方程原理，利用传统的毛细管测量球为测量部件设计全自动油品运动粘度测量装置，采用电容式传感器检测毛细管测量球中油品液面的位置，通过转换电路将液位信号转换成开关量电信号，利用C8051单片机进行精确计时和数据处理，通过键盘输入油品运动粘度系数修正值。
系统中设计油品浴热温控装置，保证油品处在恒温环境下，用测量装置测试的油品运动粘度值与标准值进行了对比。
结果说明，该测量装置具有很高的测量精度，获得了较好的测量效果。
关键词运动粘度；毛细管；自动测量；单片机油品运动粘度测量技术在生产过程中占有十分重要的位置，其测量方法大体分为手动和自动两种测量方法。
手动测量步骤繁琐且测量精度低；而目前自动测量技术大都电路复杂且设备制作成本高。
本文所论述的全自动油品运动粘度测量装置是在传统的毛细管测量技术基础上设计的，产品电路设计简单，测量精度较高，首先介绍下全自动油品运动粘度测量装置的构成及测量过程。
1 全自动油品运动粘度测量装置构成及测量过程1.1 测量基本原理本文设计的测量装置，采用毛细管作为测量元件，其工作原理是基于伯塞尔方程进行测量的。
其中运动粘度，其中c是粘度系数（mm2/s2）；t是试样的平均流动时间（s）；vt是运动粘度（mm2/s），粘度系数c是常量，测量时只需要测量出样品流经测量球的时间t值，然后依据公式便可以方便地计算出运动粘度值[1]的。
1.2 全自动油品运动粘度测量装置全自动油品运动粘度测量装置主要由样品测量管路系统；样品位置检测电路；键盘、显示控制电路；油浴温度控制系统和电源等组成。
装置的主要特点是粘度测量范围宽（0.5mm2/s~5 000mm2/s)/40℃；（0.5mm2/s~2 000mm2/s）/100℃，测量精度高（0.001），适用于透明、半透明与不透明油品运动粘度的测量，该装置还具有自动清洗和自动干燥处理功能。
毛细管粘度计及液体粘度的测定方法[发明专利]
![毛细管粘度计及液体粘度的测定方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b2f273d483c4bb4cf6ecd141.png)
专利名称：毛细管粘度计及液体粘度的测定方法专利类型：发明专利
发明人：陈生,李钢
申请号：CN92114277.3
申请日：19921214
公开号：CN1076027A
公开日：
19930908
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明毛细管粘度计，包括：毛细管；与该毛细管 一端连通的试样取样管；与毛细管另一端连通的吸样 器，分别位于毛细管两端而处于试样取样管和吸样器 内侧的两液池；与两液池相连的差动式驱动压发生装 置，该装置可以是差动气容室，也可是差动式弹性膜 储能器；装设在该差动式驱动压发生装置上的压差传 感器和与之相连的微机；与毛细管路连接的清洗和干 燥装置；以及使整个粘度计与大气隔离和进行测定操 作的阀门和管路系统。
申请人：陈生
地址：100083 北京市海淀区花园北路北医8号楼12组525室
国籍：CN
代理机构：三友专利事务所
代理人：马莹
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新型全自动毛细管式粘度测量系统的设计
新型全自动毛细管式粘度测量系统的设计朱震钧,王明时(天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072) 摘要: 叙述一种基于毛细管法的新型全自动粘度测量系统,该系统采用双气室气路结构,通过89C52单片机系统控制恒温、自动检测、计算,可用于工业现场实时测量。
关键词: 粘度;测量;毛细管法;单片机 中图分类号:TH836 文献标识码:A 文章编号:100023932(2001)03200542041 引 言粘度是表征流体性质的一项重要参数,粘度测量广泛应用于石油、化工、油脂、涂料、油墨、食品和制药等工业部门,对生产环节的质量控制以及最终产品的性能评定起着决定作用。
在各种粘度测量方法中,毛细管法因其精度高,结构简单一直受到重视,传统的毛细管粘度计仍然是目前计量部门标定标准粘度的唯一仪器。
然而,这种粘度计由于其自重式结构,测量对象局限于牛顿流体;且对测量环境要求严格,并需要大型恒温辅助装置,应用多局限于工厂的检验室;其测量过程为手工操作,过程繁琐,对测得的数据还要做大量的运算处理。
纵观目前国内各行业中粘度计使用状况,普遍比较落后,在其它的理化参数广泛应用先进自动化设备的状况下,粘度测量仪器仍停留在50～60年代的水平[1,2],因此,我们提出并申报了机械部“九・五”攻关项目———工业流体实时粘度测量仪。
本文阐述了一种基于毛细管法的全自动粘度测量系统,它采用独特的气路设计完成自动采样,并可调节毛细管两端的压差,实现对非牛顿流体的测量。
通过89C52单片机系统控制,无需测试者介入即可实现自动测量。
仪器还具有恒温控制(精度0.25℃)功能,整个系统采用蓄电池供电,使其可用于工业现场。
在天津计量所对仪器做的测试实验表明,该仪器具有较高的精度和良好的重复性。
2 测量原理如图1所示,毛细管长度为L,内径为R,管中充满待测粘性流体,在压力的作用下沿毛细管流动。
根据哈根2泊肃叶定理[3],如果以下条件满足:(1)压力与粘性力平衡,流体作匀速定常流动;(2)管壁处流体无滑动,r=R时,流速u=0;(3)毛细管有足够大的长径比,可忽略端口区流动的影响。
毛细管粘度计的工作原理
毛细管粘度计的工作原理及创新设计姓名：王根华学号：1411081569学院：机械工程与力学学院班级：14机械研究生2班1.工作原理设不可压缩的粘性流体在水平管中作稳态层流流动，并设所考察的部位远离管道进、出口，且流动为沿轴向(z 方向)的一维流动，如下图所示:物理模型：1. 稳态、层流、不可压缩牛顿型流体2. 沿ｚ方向的一维流动，0==θu u r ，0≠z u3. 远离进出口柱坐标下的连续性方程：0)()(1)(1'=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂z r u zu r ru r r ρρθρθρθ （1） 式中，z r u u u z r 和、为方位角；为轴向坐标；为径向坐标；为时间；θθθ.' 分别是流速在柱坐标（r,θ,z ）方向上的分量。
可简化为：0=∂∂zu z（２） 柱坐标的奈维-斯托克斯方程： r 分量()⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂+∂∂-∂∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂∂∂+∂∂-=∂∂+-∂∂+∂∂+∂∂22222222111'z u u r u r ru r r r v r p zuu r u u r u r u u u r rr d r z r r r r θθρθθθθθ（３）θ分量()⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂+∂∂+∂∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂∂∂+∂∂-=∂∂++∂∂+∂∂+∂∂2222222111'z u u r u r ru r r r v r p r zuu r u u u r u r u u u r d z r r θθθθθθθθθθθρθθ（４）z 分量⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂-=∂∂+∂+∂∂+∂∂+∂∂2222111'z u u r r u r r r v z p zuu r u u u r u r u u u z z z d z z z z z r z θρθθθθ （５）现在先考察z 方向的奈维-斯托克斯方程。
对于一维稳态流动，式（5）中的0,0'==∂∂r zu u θ，;0=θu 由于流动对于管轴对称，0=∂∂θzu ，022=∂∂θzu 。
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新型全自动毛细管式粘度测量系统的设计朱震钧,王明时(天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072) 摘要: 叙述一种基于毛细管法的新型全自动粘度测量系统,该系统采用双气室气路结构,通过89C52单片机系统控制恒温、自动检测、计算,可用于工业现场实时测量。
关键词: 粘度;测量;毛细管法;单片机 中图分类号:TH836 文献标识码:A 文章编号:100023932(2001)03200542041 引 言粘度是表征流体性质的一项重要参数,粘度测量广泛应用于石油、化工、油脂、涂料、油墨、食品和制药等工业部门,对生产环节的质量控制以及最终产品的性能评定起着决定作用。
在各种粘度测量方法中,毛细管法因其精度高,结构简单一直受到重视,传统的毛细管粘度计仍然是目前计量部门标定标准粘度的唯一仪器。
然而,这种粘度计由于其自重式结构,测量对象局限于牛顿流体;且对测量环境要求严格,并需要大型恒温辅助装置,应用多局限于工厂的检验室;其测量过程为手工操作,过程繁琐,对测得的数据还要做大量的运算处理。
纵观目前国内各行业中粘度计使用状况,普遍比较落后,在其它的理化参数广泛应用先进自动化设备的状况下,粘度测量仪器仍停留在50～60年代的水平[1,2],因此,我们提出并申报了机械部“九・五”攻关项目———工业流体实时粘度测量仪。
本文阐述了一种基于毛细管法的全自动粘度测量系统,它采用独特的气路设计完成自动采样,并可调节毛细管两端的压差,实现对非牛顿流体的测量。
通过89C52单片机系统控制,无需测试者介入即可实现自动测量。
仪器还具有恒温控制(精度0.25℃)功能,整个系统采用蓄电池供电,使其可用于工业现场。
在天津计量所对仪器做的测试实验表明,该仪器具有较高的精度和良好的重复性。
2 测量原理如图1所示,毛细管长度为L,内径为R,管中充满待测粘性流体,在压力的作用下沿毛细管流动。
根据哈根2泊肃叶定理[3],如果以下条件满足:(1)压力与粘性力平衡,流体作匀速定常流动;(2)管壁处流体无滑动,r=R时,流速u=0;(3)毛细管有足够大的长径比,可忽略端口区流动的影响。
图1 毛细管 流体的动力粘度μ可表示为: μ=πR4ΔP8QL(1)式中:ΔP———毛细管两端面的压力差;Q———单位时间通过毛细管端面的流体体积。
由于流体作匀速定常流动,所以有:Q=V/T式中:V———流过毛细管的流体总体积;T———流动时间。
收稿日期:2000-11-20 基金项目:国家“九・五”重点科技攻关计划新产品开发项目基金资助,合同编号962748202201214。
检测与控制装置 化工自动化及仪表,2001,28(3):54～57C ontrol and Instruments in Chemical Industry 代入(1)式,有: μ=πR 48L ・ΔP ・T V =K ・ΔPTV(2)式(2)中K 仅与毛细管的长度和半径有关。
通过测量ΔP 、V 和T ,就可以根据式(2)计算出流体粘度。
值得指出的是,传统的毛细管粘度计采用自重式结构,所以ΔP =ρgL (ρ为被测流体密度),由于ρ和L 在特定的测量条件下为定值,即ΔP 不可改变。
因此传统的毛细管粘度计只能测量牛顿流体粘度。
对于非牛顿流体,需要改变ΔP ,测量相应的V 和T 。
其计算方法非本文重点,此处从略,可参见文献[4,5]。
3 系统设计据上述对测量原理的阐述可知,粘度测量实际转化为对流体体积、流动时间和驱动压力的测量。
另外,因为流体粘度会随环境温度变化而发生显著改变,所以要保证测量精度,必须进行恒温控制。
测量系统的设计围绕这些要点进行。
3.1 粘度传感器,气路系统与P ,V ,T 测量粘度传感器与气路系统的设计如图2所示。
粘度传感器是二次传感器,它由毛细管、采样室、电加热片、半导体致冷片、温度传感器等部件组成,与气路系统相结合,完成对P 、V 、T 的自动测量,间接测出粘度。
图2 粘度传感器与气路系统设计3.1.1 体积V 的测量整个气路系统由采样室、气室1、气室2、电磁阀、气泵等构成,其中,流体体积的计算与采样室体积和气室1的体积有关。
测量过程如下:给气室1置一定负压(小于大气压P 0),然后开启采样室与气室1间的电磁阀1,被测流体在大气压作用下经毛细管流入采样室,使气室1中气压发生变化,当达到一定值后,关闭电磁阀1,采样体积与气室1在采样前后的压力关系为:V =(P 2-P 1)V 2-ρgLV 1P 0-ρgL(3)式中:P 2———采样末压力;P 1———采样前压力;V 1———采样室体积;V 2———气室1体积;ρ———被测流体密度;L ———毛细管长度;g ———重力加速度;P 0———大气压。
这样将体积测定转化为V 2中气体压力的精确测量。
3.1.2 流动时间的测定采样完成后,对采样室中的被测流体进行恒温控制,使其达到预定温度。
然后给气室2和气室3的连通体加正压,当达到预定压力后,开电磁阀1,流体沿毛细管流出采样室,此时开始计时,开始阶段,气室1中的气压基本不变,当全部流体流出毛细管的时候,气压会产生跳变。
合理选择采样间隔,就能够精确地检测到压力跳变点,实现对流动时间的精确测量。
图3为一次实测的采样值与采样点的关系图,采样间隔为0.01s ,根据图3所示可知,压力突变产生在1572～1573次采样之间,相应的流・55・第3期 朱震钧等.新型全自动毛细管式粘度测量系统的设计 动时间为15.2s ,误差在0.01s 以内。
采样间隔通过单片机的定时中断来控制,可达到很高的计时精度。
图3 压力值随采样点的变化3.1.3 双气室结构气路中采用了双气室结构,气室2的体积远大于气室1的体积,两个气室可由电磁阀控制其连通、断开,这样的设计主要出于以下考虑:(1)采样过程,根据式(3),气室1中采样前后压力变化为(忽略流体自重):P 2-P 1=P 0VV 2≈P 0V 1V 2(4)采样体积V 可以认为等于采样室体积V 1,为了减小压力检测的相对误差,应尽可能使P 2-P 1值增大,所以V 2不能过大,应与V 1接近。
(2)测量过程要求气室1、2连通体的体积远大于采样室体积,这样在二者连通后,才能使气压不随流体排出发生显著变化,保证毛细管两端压力差恒定。
3.1.4 温控系统恒温控制由电加热片、半导体致冷片和温度传感器的闭环控制实现,采用查表方法来矫正传感器的非线性误差,经标定后,温控系统误差在-10～60℃之间可达到±0.25℃。
由于采样室体积很小(1.5ml 左右),所以采用蓄电池即可驱动该温控系统。
3.2 测控系统的硬件设计测控系统以89C52单片机为核心,图4所示为系统原理框图。
AT 89C52Flash 单片机内部有8kB Flash ROM ,可以作为程序存储器,便于对程序做修改。
系统扩展了8kB 的RAM ,用于存放采样数据。
此外还有一片1kB 的电可擦除SROM ,在系统掉电后数据不会丢失,电可擦除SROM 用来存放系统参数和测量结果。
为了使系统具有友好的用户界面,采用128×64点阵式液晶作为显示元件,在测量过程中,显示提示信息,系统还可外接PP40打印机,打印测量报告。
另外,由于压力和温度均为缓变信号,对采样率要求不高,所以采用8端口的12位逐次比较式串行A/D 转换芯片MAX186。
由于有电磁阀、气泵、电热片等外部设备,所以采用82C55扩展了I/O 端口,采用光电隔离,将控制系统电源和外部设备的供电电源隔离,提高了安全性。
82C55的端口C 驱动一个4×4的行列键盘,用于外部控制以及系统参数的输入。
图4 控制系统硬件框图3.3 系统软件的设计根据测量要求和硬件系统的特点,编制了粘度测量系统软件。
该软件的主要功能包括:①完成对硬件系统的支持;②通过人机对话方式完成仪器参数的设置;③对传感器输出信号的采样;④对各种运算函数的调用以实现对采样数据的处理,对粘度值的计算;⑤调用字库在液晶屏显示;⑥驱动微型打印机。
图5为程序流程图。
图5中,初始化过程包括设置堆栈指针,选择定时器工作方式,置定时器初始值,设置中断优先级,置标志位初值,设置82C55端口,寄存器定义,运算常数赋初值给内部寄存器等。
系统自检主要检验气路系统的气密性和外部设备驱动电路是否工作正常。
4 结束语・65・ 化工自动化及仪表 第28卷仪器安装调试完成后,在天津市计量所对仪器进行了性能测试实验。
测量对象为标准粘度油,样品编号为G BW13601～G BW13609。
对各标号粘度油的测量结果表明,该系统精度误差小于1%。
该仪器已通过机械部“九・五”攻关项目鉴定。
图5 系统软件流程[参考文献][1] 粘度计综述[J ].仪器与未来,1993,3.[2] 李桂芬,等.数显式流体粘度计的研制[J ].电子与自动化,1996,3.[3] 陈惠钊.粘度测量[M].中国计量出版社,1994,6.[4] 川田裕郎.粘度[M].计量出版社,1981,3.[5] 朱震钧.粘度测量方法与粘度测量仪器的研究[A ].天津大学博士学位论文[C],2000,7.[6] 余永权.Atmel89系列单片微型计算机[M].电子工业出版社,1997,1.Design of a N ew K ind of Autom atic C apillary ViscometerZH U Zhen 2jun ,W ANG Ming 2shi(College o f Precision Instrument &Opto 2electronics Engineering ,Tianjin Univer sity ,Tianjin 300072,China )Abstract :In this article ,a new kind of viscometer based on capillary method was proposed.D ouble 2air 2chamber structure was adopted in the design of measurement system.Through the control with 89C52single chip process or system ,constant tem perature control and automatic measurement of the fluid viscosity was fulfilled.The viscometer could be used in industrial field.K ey w ords :viscosity ;measure ;capillary method ;single 2chip process or・75・第3期 朱震钧等.新型全自动毛细管式粘度测量系统的设计 。