新型石英晶体粘度测量仪的研制

　　1　引　　言

　　在石油化工、制药、化学试剂生产、医疗卫生等行业,粘度测量是评定产品质量和特性的重要指标。传统的粘度计有乌式粘度计、振球式粘度计以及旋转式粘度计等。它们的特点是测量范围大、性能稳定,缺点是结构复杂。本课题利用石英晶体在液相介质中的振荡特性,研制了一种适于低粘度测量的粘度测量仪。其特点是结构简单、便于携带、使用方便、成本低。

　　2　测量原理

　　如图1(a)所示,AT切型厚度切变的晶体,在交变电场作用下产生厚度切变振动。将这种石英晶体以单面触液的方式置于液相介质中[1,2]。吸附于谐振晶体表面的若干层液体分子表现出固相物质的力学性质,可将其等效为如图1(b)所示的两层结构力学模型。其中第一层(d≤y≤d+dy)为液体层,第二层(0≤y≤d)为石英晶体.

　　由牛顿流动定律可知,在与晶体接触的液体薄层内,液体受到了xy面内剪切应为T6的作用,T6为:

　　式(3)表示液体薄层的波动方程。若只考虑其基频成份,式(3)解为:

　　当y=d时,Vx=V+=V0为石英晶体表面y=d处的速度。对于AT切型沿Y向施加交变电场E的石英晶片,根据压电方程,可导出y=d时沿X方向切变速度的幅值V0为:

　　将式(5)对y求偏导数并代入(1),可得:

　　因此,采用一定密度和谐振频率的石英晶体时,测出频率偏移即可确定液体粘度的数值。

　　3　仪器总体结构设计

　　如图2所示,将石英晶体作为敏感元件制成传感器探头。当探头浸入被测液体后,液体粘度的变化引起晶体谐振参数的变化,从而使振荡电路输出频率发生变化。由于所选用的晶体谐振频率很高,为检测工作晶体谐振频率的变化,选用另一参考晶体的振荡频率与工作晶体做差频。差频信号经单片机高速输入端HSI求得差频频率。

　　由于液体粘度受温度影响很大,仪器中设计了温度测量装置。用半导体热敏电阻做为测温元件,进行温度检测。经数据处理后,粘度测量结果由液晶显示,仪器操作由键盘控制。

　　4　探头结构设计

　　探头结构如图3所示。为了防止引线过长产生的自激振荡,将石英晶体和振荡电路都安装在探头内。在探头内还装配有测温元件,以便实时监测试样温度变化,T/V转换电路也封装在探头内。差频信号与经转换放大后的温度信号输入主机。

　　选用基频为10MHz的AT切型石英晶体,其外型结构如图4所示。晶片中心圆形区域为被银电极,根据能量局部化效应,振动能量集中在电极下面的中间区域。为保证石英晶体振荡稳定性,将电极引线用导电胶粘接在晶片边缘倒角处,如图5所示。石英晶片采用单面触液方式。要求粘接面尽可能远离中心电极区,电极引线应尽可能细,以减少引线对晶片产生的应力。