自動粘度測定儀中粘溫測量功能的設計
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)的一個重要標準特征，自動粘度測定儀廣泛應用于此類行業(yè)。目前測量粘度的方法主要有毛細血管自動粘度測定儀、落球式自動粘度測定儀、自動粘度測定儀和振動法自動粘度測定儀。在上述粘度的測量方法中，自動粘度測定儀，由于其可以在不同的切變率下對同種材料進行測量的優(yōu)點，因此被廣泛應用于測量牛頓液體和非牛頓液體的粘度及流變特性。
傳統(tǒng)的自動粘度測定儀只能測得當前溫度下被測液體的粘度，由于在測試過程中，往往需要同種液體的不同溫度下的粘度，由于控制溫度是對環(huán)境的要求極高，一般是放在恒溫槽進行恒溫，增加了測試的成本和工作量，所以有必要設計一種能修正粘度的自動粘度測定儀。鑒于扭距傳感器的價格昂貴，文中的自動粘度測定儀采用傳統(tǒng)法設計，用游絲感應轉(zhuǎn)筒探頭的扭矩，根據(jù)粘度與溫度的關系，在程序中加入轉(zhuǎn)換算法，實現(xiàn)了粘溫轉(zhuǎn)換，對于實際應用具有重大的意義。
1自動粘度測定儀測量原理
當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)運動時，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。的原理是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。
將液體裝于兩同軸的圓筒間隙中，設內(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)筒的長度為h)，如圖1所示。當內(nèi)筒以角速度ω相對外筒旋轉(zhuǎn)時，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為扭矩傳感器所測偏轉(zhuǎn)力矩。
由于外筒內(nèi)壁液體與筒壁無滑動，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。
對于單圓筒結(jié)構(gòu)式的旋轉(zhuǎn)自動粘度測定儀，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。
對于單圓筒結(jié)構(gòu)，也可按同圓筒的方法推導出如上所示的公式，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，得
2粘溫轉(zhuǎn)換原理
2.1粘度與溫度的關系：粘度與溫度的關系非常密切，在常溫常壓下，當溫度變化1℃時，液體的粘度變化達到百分之幾至十幾，氣體約為千分之幾。粘度與溫度并不成線性關系，它與溫度范圍有關，溫度越低，則粘溫關系越密切。
液體粘度與溫度的關系主要可用安德雷德(Andrade)通用式表示：
式中：A為實驗常數(shù)，在不同溫度下實驗求得；k為氣體常數(shù)；T為環(huán)境絕對溫度；E為粘流活化能，表示分子由一個位置前移到另一位置所需要的能量，與分子結(jié)構(gòu)，分子鏈的長短及溫度有關。
2.2粘溫轉(zhuǎn)換計算法則不同溫度下的粘度換算對于現(xiàn)場測量具有重大的意義，程序算法中有一套完整的自動粘度測定儀算法則，主要依據(jù)阿列紐斯(瑞典化學家)關系式，粘度：
式中：A和B表示液體流體常數(shù)；T表示絕對溫度。
考慮到溫度影響后的自動粘度測定儀算式則改寫為：
式中：VC為溫度變化、tl、trEF條件下的修正粘度；VL為實時粘度；trEF為鍵盤輸入的環(huán)境溫度；tl為液體溫度；P0、P1為輸入的液體流動常數(shù)。
P1和P0常數(shù)是不穩(wěn)定的，由實驗手段測定，其中P0常數(shù)是一個抵消常數(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)存儲在存儲器中。P1的決定非常重要，可以從科學過程資料參考書中查取，同時可查取不同溫度下的流體粘度，這樣就可以計算P1常數(shù)：
式中：V1為t1溫度下的粘度；V2為t2溫度下的粘度。
在實際測量中，只要輸入相應的溫度值，自動粘度測定儀進過換算，就會在LCD中顯示經(jīng)修正的粘度值。
3自動粘度測定儀軟硬件設計
3.1硬件設計：自動粘度測定儀主要包括步進電機、光斷續(xù)器、圓筒、按鍵、CPU、溫度傳感器和LCD屏。自動粘度測定儀的工作流程是步進電機帶動圓筒探頭在被測液體中做勻速旋轉(zhuǎn)運動，由于被測液體的粘附作用，將會產(chǎn)生一個粘附力矩，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)器所測得的時間差所確定。光斷續(xù)器所產(chǎn)生的信號經(jīng)過CPU處理，在LCD中將會顯示進過計算的粘度值。通過按鍵鍵入溫度值，LCD將會顯示修正粘度值。
3.2軟件設計自動粘度測定儀軟件設計主要包括以下程序模塊：初始化模塊、電機驅(qū)動模塊、讀取光斷續(xù)器信號模塊、按鍵輸入、粘溫轉(zhuǎn)換、LCD顯示等，圖3是自動粘度測定儀程序主流程圖。
游絲偏轉(zhuǎn)角度的測量是自動粘度測定儀軟件設計的關鍵部分，文中利用了PIC16F877單片機的中的定時/計數(shù)器模塊(TIMER0)來進行計數(shù)。定時/計數(shù)器模塊(TIMER0)是一個8位的簡單增量溢出計數(shù)器，時鐘源可以是內(nèi)部指令時鐘(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。當對外部脈沖進行計數(shù)時就作為計數(shù)器使用，在使用外部時鐘時，可以選擇用脈沖的上升沿或下降沿來觸發(fā)，進行加1計數(shù)。
在文中，脈沖信號來自光斷續(xù)器，測得光斷續(xù)器的開關時間差，已知電機轉(zhuǎn)速，就可以測得游絲偏轉(zhuǎn)的角度，從而計算得到粘度值。
4文中提出了一種帶有粘溫轉(zhuǎn)換功能的自動粘度測定儀的設計方案，并從硬件和軟件兩方面比較詳細地介紹了該新型自動粘度測定儀的設計開發(fā)過程以及相關技術(shù)特點。為驗證儀器的精度，分別對3種使用過的機油進行測量，通過實際測量數(shù)據(jù)與標準儀器所測得的數(shù)據(jù)進行比較表明，該儀器能精確測得粘度值，并通過粘溫轉(zhuǎn)換后的粘度與實際溫度下的被測液體的粘度值誤差比較小，達到了預先的設計要求。
